Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 4 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế

Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 4 cung cấp cho người học những kiến thức như giới thiệu mối quan hệ giữa các nồng độ và hoạt độ (nồng độ lý tưởng về mặt nhiệt động học) của các thành phần hóa học khác nhau - dung môi, chất hòa tan, khí và chất rắn; Ứng dụng công thức thực nghiệm (Debye Hückel) để tính toán cường độ ion và hệ số hoạt động .
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 4 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế CHƯƠNG 4:HOẠT ĐỘ - NỒNG ĐỘ TS. Võ Nguyễn Xuân Quế NỘI DUNG1. Giới thiệu mối quan hệ giữa các nồng độ và hoạt độ (nồng độ lý tưởng về mặt nhiệt động học) của các thành phần hóa học khác nhau - dung môi, chất hòa tan, khí và chất rắn2. Ứng dụng công thức thực nghiệm (Debye Hückel) để tính toán cường độ ion và hệ số hoạt độngKHÁI NIỆMTrạng thái tham chiếu Hoạt độ là đại lượng không thứ nguyên chỉ hoạt tính tương đối của của một chất, so với hoạt tính của nó ở trạng thái tham chiếu. f (fugacity) là đại lượng biểu thị khả năng thoát khỏi trạng thái nhất định của một chất: lnfi =Gi/RT+ hằng số Ở một nhiệt độ và áp suất nhất định, trạng thái tham chiếu của một chất là trạng thái mà f = a = C và  = 1 a = hoạt độ C = nồng độ (mol L−1),  = hệ số hoạt độ (a =  C)KHÁI NIỆMTrạng thái tham chiếu Quy ước 1 (Raoultian behavior - chất rắn và chất lỏng): 1. Có hoạt độ lý tưởng khi chúng là tinh khiết (một thành phần): a → C và  → 1 khi ở trạng thái tinh khiết (C →1) 2. Nếu hòa tan chất tan không mang điện tích trong một pha khác thì các tương tác không lý tưởng xảy ra làm cho  > 1 (VD: chất hữu cơ không mang điện tích vào nước). Quy ước 2 (Henryan behavior – chất tan điện li): 1. Có hoạt độ lý tưởng khi nồng độ mol hoặc phần mol của nó bằng 0: a → C và  → 1 khi C → 0 2. Dung dịch hòa tan chất điện li đạt trạng thái lý tưởng khi nồng độ dung dịch thấp (dung dịch loãng). Trạng thái không lý tưởng của dung dịch làm cho 0 <  < 1KHÁI NIỆMTrạng thái tiêu chuẩn Công thức biểu diễn mối quan hệ giữa hoạt độ và nồng độ: Ci,actual = nồng độ thực tế (mol L−1) Ci,std = nồng độ ở điều kiện tiêu chuẩn (mol L−1) Trạng thái tiêu chuẩn của chất lỏng hoặc chất rắn là trạng thái của chất tinh khiết ở áp suất 1 atm (a = C =  = 1) Với chất tan thực, a ≠1 ở điều kiện C = 1 mol/L, vì vậy trạng thái tiêu chuẩn cho chất tan chỉ là trạng thái giả định, không có thực. Với chất khí, trạng thái tiêu chuẩn là trạng thái a = f và a/P = 1, xảy ra khi P = 0. Vậy trong các điều kiện áp suất chân không, chất khí hoạt động như một khí lý tưởng và a0 = f0 = 1 khi P = 0.HOẠT ĐỘ CỦA NƯỚC Trạng thái tham chiếu (và tiêu chuẩn) của nước ở pha lỏng là nước tinh khiết ở P = 1 atm và nhiệt độ cụ thể (a = c =  = 1). Hoạt độ được đo đạc thông qua sự biến thiên của các tính chất liên quan đến liên kết giữa các phân tử trong dung dịch (colligative properties) (VD: áp suất hơi, điểm đóng băng, điểm nóng chảy, áp suất thẩm thấu) Ví dụ: Hoạt độ của nước trong dung dịch nước muối được đo từ sự giảm áp suất hơi (hoặc tăng điểm sôi, giảm điểm đóng băng) của dung dịch khi hàm lượng muối tăng. “*” biểu thị nước tinh khiết “sol” biểu thị nước có chứa thành phần hòa tanHOẠT ĐỘ CỦA NƯỚCẢnh hưởng của loại chất tan Hoạt độ của nước trong dung dịch NaCl (Robinson và Stoke): Hoạt độ của nước trong nước biển là 0,98HỆ SỐ HOẠT ĐỘCường độ ion Hệ số hoạt độ cho mỗi ion trong dung dịch hòa tan hỗn hợp muối được tính từ mối quan hệ lý thuyết biểu thị trong phương trình Debye-Hückel Lý thuyết này giả định rằng hệ số hoạt độ ion trong dung dịch loãng không phụ thuộc vào thành phần của dung dịch mà chỉ phụ thuộc vào cường độ ion của dung dịch Lewis (1921) cho rằng hệ số hoạt độ của một ion trong các dung dịch loãng có cùng cường độ ion là bằng nhau.  Hệ số hoạt độ các ion trong dung dịch loãng không phụ thuộc vào loại thành phần của dung dịch mà chỉ phụ thuộc vào tổng nồng độ các thành phần hòa tan trong dung dịch.HỆ SỐ HOẠT ĐỘCường độ ion Cường độ ion của dung dịch: mi = nồng độ molan (hoặc nồng độ mole) của ion Zi = điện tích của ion I nước ngọt = 10-4 – 10-2 ; I nước mưa = 10-4; I nước biển = 0.699 Công thức thực nghiệm của Langelier: I = 2.5 x 10-5 x TDS(mg/L) Công thức thực nghiệm của Ponnamperuma (với I < 0.06): I = 1.6 x 10-5 x SC(µS/cm) Công thức thực nghiệm của Griffin and Jurinak (với I < 0.5): I = 1.3 x 10-5 x SC Standard methods: TDS  b x SC (b = 0.55 – 0.7)HỆ SỐ HOẠT ĐỘCông thức Debye - Hückel1. Công thức giới hạn Debye – Hückel (I < 0,005): với A=1,8248 × 106 × (DT)−3/2 ; A = 0,511 ở 25◦C D = hằng số điện môi2. Công thức mở rộng Debye – Hückel (0,005 < I < 0,1): với B= 50,29 × 108 × (DT)−1/2; 0,33 × 108 trong ...