Debye-Huckel theory - 人生紀錄本 - udn部落格
人生紀錄本
作家:宋坤祐
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    Debye-Huckel theory
    2017/12/29 21:01:01
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    Debye-Hückel theory: a way to calculate ionic activity coefficients for dilute electrolyte solutions.

    Thermodynamic behavior → solution thermodynamics → constituent characteristic behavior

    Activity:

    (1)ideal solution ai=Ci; concentrated constituent solvent if aqueous Raoultian, H2O=Xᵢ pure s.s. (2)solute dilute solutio, C= 1M s.s., aᵢ=Cᵢ Herian

    (3)activity coeff.

    A. γᵢ=aᵢ/Xᵢ or aᵢ/Cᵢ<1 比較喜歡變成水溶液

    B. γᵢ>1活性強, 彼此不喜歡在一起, 只是因ΔS而在一起

    ex. desulfurization: 加入某種物質,使γsulfur>>1S活性增加,與其他元素作用, Fe中去掉

    Chemical potential, μᵢº+RTlnaᵢ i.e. aᵢ=Cᵢγᵢ

    Electrochemical potential, η μ=ηᵢ= μᵢº+RTlnaᵢ+zᵢΔϕ

    μ(elec)=ηᵢ-μ(chem)= μᵢ-μ(chem)= μᵢ-( μᵢº+RTlnCᵢ) i.e. aᵢ=Cᵢ if ideal

    μ=ηᵢ= μᵢº+RTlnaᵢ=μᵢº+RTlnCᵢ+RTlnγᵢ(elec)

    μ(elec)=RTlnγᵢ(elec)=ϕatmdQ, ϕ: surrounding potential(ion atmosphere)

    ϕ(r)=(aϕ/r)∙exp[(a-r)/XA], i.e. ϕa/ [ϵ ϵ₀(1+a/XA)] & σ=Q/4πa² a=particle size

    ϕ(r)=(Q/4πrϵ ϵ₀){exp[(a-r)/XA]/(1+a/XA)}

    ϕ(r)=ϕcentralatm, ϕatm=ϕ(r)-ϕcentral=(Q/4πrϵ ϵ₀){exp[(a-r)/XA]/(1+a/XA)-1}, ϕcentral=Q/4πrϵ ϵ₀

    at r=a, ϕatm=(Q/4πaϵ ϵ₀)∙[ XA/( XA+a)-1]=-(Q/4πϵ ϵ₀)[1/( XA+a)]

    μ(elec)=ϕatmdQ=-(1/4πϵ ϵ₀)[1/( XA+a)]QdQ= -(zᵢ²e²/8πϵ ϵ₀)[1/( XA+a)]

    lnγᵢ(elec)= -(zᵢ²e²/8πRTϵ ϵ₀)[1/( XA+a)]

    ex. 電解質溶液, NaCl solution 獲得Na⁺, Cl⁻平均mole νν, ν=ν

    平均化學勢 μ±=(νμμ)/ν

    平均activity, a± μ±=μ±º+RTlna±=(ν₊/ν)(μ₊º+RTlna₊)+(ν₋/ν)(μ₋º+RTlna₋)=

    (νμ₊ºμ₋º)/ν+RT[lna₊ν₊/ν+lna₋ν₋/ν]=(νμ₊ºμ₋º)/ν+RTln(a₊ν₊/νa₋ν₋/ν)

    μ±º=(νμ₊ºμ₋º)/ν, a±= a₊ν₊/νa₋ν₋/ν=C±γ±

    a±= a₊ ν₊/νa₋ν₋/ν=C±γ± a±ν= a₊ νa₋ν=C±νγ±ν → (Cγ₊)ν(Cγ₋)ν=C±νγ±ν ⸫C±ν=CνCν, γ±ν=γ₊νγ₋ν

    C₊=ν₊C & C₋=ν₋C → C±ν=(ν₊C)ν(ν₋C)ν=(νννν)Cν → C±=C(νννν)1/ν

    γ±ν=γ₊νγ₋νln, νlnγ±=ν₊lnγ₊₋lnγ₋ ⸫lnγ±=(ν₊/ν)lnγ₊+(ν₋/ν)lnγ₋

    lnγ±=(ν₊/ν)lnγ₊+(ν₋/ν)lnγ₋= -(e²/8πRTϵ ϵ₀)[1/( XA+a)][(ν₊z₊²+ν₋z₋²)/ν]

    由於電荷平衡, |ν₊z₊|=|ν₋z₋| and ν=ν

    lnγ±= -(e²/8πRTϵ ϵ₀)[1/( XA+a)][(ν₊z₊²+ν₋z₋²)/(ν)]= -(e²/8πRTϵ ϵ₀)[|z₊z₋|/( XA+a)]

    pf: (ν₊z₊²+ν₋z₋²)/(ν)=|ν₊z₊|(z₊+z₋)/(ν)=|ν₊z₊|(z₊+z₋)/(ν)|z₊z₋|/|z₊z₋|

    =[|ν₊z₊|(z₊+z₋)/(ν|z₊z₋||z₊z₋|)]|z₊z₋|=[₊z₊|(z₊+z₋)/₊z₊|(z₋+z₊)]∙|z₊z₋|=|z₊z₋|

    簡化 lnγ±= -A|z₊z₋|I½/(1+BaI½)= -0.05092|z₊z₋|I½/(1+3.29aI½) i.e. I=½Σzᵢ²Cᵢ

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