在電解質(zhì)溶液中,離子與水,以及離子與離子相互間都有相互作用,并發(fā)生水合、水解、離子締合和生成絡(luò)合物等等的反應(yīng),溶液作為整體處于最穩(wěn)定的狀態(tài),只要外部不施加任何作用,任何方向的反應(yīng)也不會(huì)發(fā)生。一旦該狀態(tài)的物理?xiàng)l件(溫度,壓力)改變,或有成分出入的條件下,體系就要轉(zhuǎn)移到新的穩(wěn)定狀態(tài)。這樣樣的穩(wěn)定狀態(tài)叫平衡狀態(tài)。
溶液內(nèi)的平衡,在熱力學(xué)上可以像混合氣一樣處理。首先,很稀的溶液,可看成是溶質(zhì)之間完全沒有作用的理想溶液。體系的內(nèi)能U與壓力P容積V,溫度T以及各成分的克分子數(shù)ni之間的函數(shù)關(guān)系可以表示如下:
式中,Uo表示適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的內(nèi)能,由熱力學(xué)第一定律有下式關(guān)系:
該體系中所含的成分,由于化學(xué)反應(yīng)相互轉(zhuǎn)換,在這個(gè)情況下,U是化學(xué)形式1)濃度的函數(shù)。所以構(gòu)成下式:由此,處于平衡的封閉體系則成下式:
式中,應(yīng)用按下式定義的函數(shù),即熱焓,赫氏函數(shù)及吉氏函數(shù):
1)認(rèn)為包括可逆的電化學(xué)反應(yīng)中的電子。
所以得出下邊的關(guān)系式:
式中,μ0i是i成分為純物質(zhì)的化學(xué)位,R是氣體常數(shù),T是絕對溫度。
在實(shí)際溶液的情況下,如適當(dāng)?shù)剡x擇表示成分的方法也能用同樣的函數(shù)形式表示。為此,新的的表示方法用活度
所以整個(gè)自由能的變化如下:
如把1個(gè)克分子的電解解質(zhì)Cv+Av-溶于水中,隨著Cv+Av-→v+C+v-A的變化,它就解離成為v+個(gè)克離子的陽離子與v-個(gè)克離子陰離子,其活度分別為a+和a-。因?yàn)槿芤和ǔJ请娭行缘?,所以不能各自地求出這兩個(gè)活度,只能一起得到該二個(gè)活度的合值,即求得電解質(zhì)活度a為:
活度隨溫度、壓力力的變化,與導(dǎo)出(2.47)和(2.48)式相同,可得:
為了使根據(jù)(2.42)式的化學(xué)位的活度定義更臻于完整,因而必須把μ0i的值決定下來,所以應(yīng)該事先決定μ0值。參考體系要選的得當(dāng),在處理電解質(zhì)溶液時(shí),根據(jù)非對稱參考體系表示化學(xué)位,這就是(1)作為溶劑在1個(gè)大氣壓下,把純粹狀態(tài)的活度作為1;(2)作為溶質(zhì),在1個(gè)大氣壓下,取無限稀釋時(shí)活度等于克分子濃度。換言之,無限稀釋時(shí)活度系數(shù)定為1。此外,下述述的基準(zhǔn)也被決定下來。(3)在1個(gè)大氣壓下,與溶液平衡的固相,在各溫度下以最穩(wěn)定的結(jié)晶形的純固體活度作為1。(4)氣體的活度等于它的分壓。
表示出實(shí)際溶液與理想溶液究竟有多大偏離是方便的,于是作為這種尺度用(2.50)式定義一個(gè)活度系數(shù):
實(shí)際上重量克分子濃度m(molality,即1000克溶劑中溶質(zhì)的克分子數(shù))與體積克分子濃度c(molarity,即1000毫升溶液中溶質(zhì)的克分子數(shù))要比克分子分?jǐn)?shù)N廣為使用,所以與此對應(yīng)的活度系數(shù),可用下式表示:
活度,活度系數(shù)隨濃度表示方法的不同而不同。這三個(gè)活度系數(shù)之間存在下列關(guān)系:
式中,M1是溶劑的分子量,M2是溶質(zhì)的分子量,do,d分別是溶劑和溶液的密度。在理論上經(jīng)常用f±,實(shí)用方面經(jīng)常用Y±,在稀溶液中,f±=Y(jié)±=y(tǒng)±。