Soluções ideais não são ideais
As expressões de equilíbrio para soluções são calculadas assumindo que a expressão se aplica a uma solução ideal. As soluções ideais assumem que não há interação entre os íons, uma vez que os íons estão em solução. Mas, a solução de íons interage com outros íons e solventes. O coeficiente de atividade de uma solução eletrolítica é usado para fatorar as interações dependentes da concentração entre os íons em uma solução.
No laboratório, às vezes formam-se emulsões e não há separação entre uma fase aquosa e uma fase orgânica. Uma prática comum para separá-los é adicionar uma solução saturada de NaCl. Isso faz com que a água se torne «mais polarizada». A adição de um sal aumenta a força iônica da fase aquosa, que por sua vez separa os componentes de uma emulsão em camadas polares e não polares.
Causas de comportamento não ideal
Atmosfera Iônica
Os íons em solução viajam perto de outros íons. Portanto, os cátions encontrarão cátions e ânions. Os cátions são mais atraídos por ânions do que os cátions. Íons de cargas opostas protegem a carga efetiva de um íon, conforme mostrado na Figura 1. O efeito é fazer com que os ânions e cátions sejam menos atraídos uns pelos outros.
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Conforme a força iônica da solução aumenta, a atmosfera iônica ao redor de um íon se torna mais forte. Você pode ver isso visualmente na Figura 2.
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Para nossa discussão e cálculos, estamos trabalhando com concentrações não superiores a 0,1 M. Para levar em conta a influência da atmosfera iônica, dois fatores são incluídos:
1. Força Iônica
A força iônica calcula o grau em que as cargas sobre os íons influenciam o quanto uma solução se desvia do comportamento ideal. Esta é uma combinação de concentração e carga inalterada e concentração de um determinado íon, conforme visto na Equação 1.
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- C i é a concentração do i ésimo componente
- Z i é a carga do íon em questão
- μ é o símbolo da força iônica total de uma solução
O Exemplo 1 mostra como a força iônica de um sal é diferente de sua concentração molar. As concentrações aparentes e reais não são as mesmas.
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2. Raio Iônico Eficaz
Íons menores têm um raio efetivo maior. Isso ocorre porque a gaiola de solvente da água é maior. O outro fator associado ao raio iônico efetivo é a carga. Uma carga mais alta (uma magnitude positiva ou negativa) atrai íons com cargas mais opostas.
Tabelas de coeficiente de atividade
Felizmente para a maioria de nós, os coeficientes de atividade são fornecidos em tabelas em textos de química física ou química analítica. Você também pode encontrá-los online digitando ‘tabela de coeficientes de atividade’. Para os dois cálculos de amostra a seguir, uma tabela resumida de atividades é apresentada aqui na Tabela 1. Cruze a força iônica do índice com o íon desejado.
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Cálculos de amostra
O cálculo de pH e solubilidade molar são dois exemplos em que o coeficiente de atividade tem um efeito mensurável em um cálculo comum. Um processo semelhante é usado para cada um.
- calcular a força iônica
- interpolar o valor do coeficiente de atividade a partir de valores conhecidos
- conecte coeficientes de atividade vezes concentração
Exemplo: O pH não é realmente o pH
Provavelmente, você foi informado de que, se adicionar um composto iônico não reativo a uma solução de água pura, o pH da solução não será afetado. Isso só é verdade no caso de soluções muito diluídas. Esta mudança de pH ocorre mesmo com um sal inerte como NaNO 3 ou MgCl 2 , que examinaremos no Exemplo 2.
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Você vê que embora você possa ter pensado que o pH de uma solução salina de água ainda é 7,00, o cálculo no Exemplo 2 mostra que íons não ácidos e não básicos ainda afetam a atividade do pH.
Exemplo: Produto de Solubilidade
A solubilidade dos íons também é afetada. Isso é lógico porque quanto mais pronunciada a atmosfera iônica, menos provável será a formação de um precipitado. O exemplo 3 mostra o cálculo do CaSO 4 quando os coeficientes de atividade são levados em consideração. Sem esta consideração, o CaSO 4 tem um K sp 7,1 x10 -5 . O cálculo dá uma solubilidade molar de 8,34 x 10 -3 .
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Depois que a expressão de equilíbrio de K sp é corrigida para os coeficientes de atividade iônica, há uma diferença de 51,4% na solubilidade molar.
Resumo da lição
O significado de um coeficiente de atividade é explicado pelo comportamento dos íons em solução. Os íons carregam uma atmosfera iônica associada que deve ser fatorada em cálculos de equilíbrio que usam concentração.
- O coeficiente de atividade é formado a partir do cálculo da força iônica e do tamanho iônico efetivo.
- O coeficiente de atividade também pode ser encontrado em uma tabela de coeficientes de atividade conhecidos.
- O coeficiente de atividade é usado para:
- calcular a solubilidade molar de K sp
- calcular o pH para soluções de compostos iônicos em água.