Коэффициент активности и ионная сила

Заряженные частицы (ионы) в растворе взаимодействуют друг с другом за счет электростатических сил, что приводит к существенному отличию свойств реальных растворов от идеальных, где такое взаимодействие отсутствует. Каждый ион в растворе окружен так называемой «ионной атмосферой», которая состоит из частиц противоположного знака и плотность которой зависит как от заряда иона z, так и от ионной силы раствора I (присутствия всех заряженных частиц в растворе). Наличие такой «ионной атмосферы» и приводит к тому, что свойства реальных растворов определяет не общая концентрация иона, а ее активная часть, которую называют активностью (а). Активность связана с общей концентрацией иона формальным соотношением:

a_i = γ_i∙с_i , где: γ_i – коэффициент активности иона.

Коэффициенты активности могут быть меньше единицы или равны единице, в зависимости от концентрации раствора, заряда иона и присутствия других заряженных частиц в растворе, поэтому активность может быть больше, меньше или равна концентрации.

Для расчета ионной силы раствора обычно используют выражение:

где: c_i – молярная концентрация иона, моль/л;

z_i – заряд иона

При расчете ионной силы раствора вклад слабых электролитов не учитывается, так как он незначителен.

Зная заряд иона и ионную силу раствора можно по специальным таблицам определить коэффициент активности данного иона в воде при 25⁰С, либо рассчитать его по уравнениям Дебая-Хюккеля:

, при 0,01 < I < 0,1

, при I < 0,01

Например, коэффициенты активности ионов натрия и сульфатных ионов в 0,01 М растворе Na₂SO₄ в 0,05 М ацетатном буфере (0,05 М CH₃COOH + 0,05 M CH₃COONa) можно рассчитать следующим образом (при расчете ионной силы вклад слабой уксусной кислоты не учитывается):

I = 0,5∙(2∙0,01∙1² + 0,01∙2² + 0,05∙1² + 0,05∙1²) = 0,08

В сильно разбавленных растворах (с_i → 0), в которых ионная сила мала (I → 0), коэффициент активности γ_i → 1 и а_i → с_i, то есть свойства бесконечно разбавленных растворов приближаются к свойствам идеальных растворов.