Coeficiente de actividad: definición y ecuación

Las soluciones ideales no son ideales

Las expresiones de equilibrio para soluciones se calculan asumiendo que la expresión se aplica a una solución ideal. Las soluciones ideales asumen que no hay interacción entre los iones una vez que los iones están en solución. Pero la solución de iones interactúa con otros iones y solventes. El coeficiente de actividad de una solución de electrolitos se usa para factorizar las interacciones dependientes de la concentración entre los iones en una solución.

En el laboratorio, a veces se forman emulsiones y no hay separación entre una fase acuosa y una fase orgánica. Una práctica común para separarlos es agregar una solución saturada de NaCl. Esto hace que el agua se vuelva «más polarizada». La adición de una sal aumenta la fuerza iónica de la fase acuosa, que a su vez separa los componentes de una emulsión en capas polares y apolares.

Causas del comportamiento no ideal

Atmósfera iónica

Los iones en solución viajan cerca de otros iones. Entonces, los cationes encontrarán cationes y aniones. Los cationes se sienten más atraídos por los aniones que por los cationes. Los iones de cargas opuestas protegen la carga efectiva de un ión como se muestra en la Figura 1. El efecto es hacer que los aniones y los cationes se atraigan menos entre sí.

Figura 1 : Las cargas parciales rodean a los iones y protegen la carga iónica efectiva

A medida que aumenta la fuerza iónica de la solución, la atmósfera iónica alrededor de un ion se vuelve más fuerte. Puede ver esto visualmente en la Figura 2.

Figura 2 : una fuerza iónica más fuerte conduce a una atmósfera iónica más fuerte y menos atracción entre los iones

Para nuestra discusión y cálculos, estamos trabajando con concentraciones no mayores a 0.1 M. Para tener en cuenta la influencia de la atmósfera iónica, se incluyen dos factores:

1. Fuerza iónica

La fuerza iónica calcula el grado en que las cargas de los iones influyen en la diferencia entre una solución y el comportamiento ideal. Esta es una combinación de concentración y carga inalterada y concentración de un ion dado como se ve en la Ecuación 1.

Ecuación 1 : fuerza iónica de la solución

• C i es la concentración del i- ésimo componente
• Z i es la carga del ion en cuestión
• μ es el símbolo de la fuerza iónica total de una solución

El ejemplo 1 muestra cómo la fuerza iónica de una sal es diferente a su concentración molar. Las concentraciones aparentes y reales no son las mismas.

Ejemplo 1 : Cálculo de la fuerza iónica de MgCl 2

2. Radio iónico efectivo

Los iones más pequeños tienen un radio efectivo mayor. Esto se debe a que la caja de disolvente del agua es más grande. El otro factor asociado al radio iónico efectivo es la carga. Una carga más alta (una magnitud ya sea positiva o negativa) atrae más iones de carga opuesta.

Tablas de coeficientes de actividad

Afortunadamente para la mayoría de nosotros, los coeficientes de actividad se proporcionan en tablas en textos de química física o química analítica. También puede encontrarlos en línea escribiendo ‘tabla de coeficientes de actividad’. Para los siguientes dos cálculos de muestra, en la Tabla 1 se presenta una tabla abreviada de actividades. Índice de fuerza iónica cruzada con el ión deseado.

Tabla 1 : Coeficientes de actividad seleccionados

Cálculos de muestra

El cálculo del pH y la solubilidad molar son dos ejemplos en los que el coeficiente de actividad tiene un efecto medible en un cálculo común. Se utiliza un proceso similar para cada uno.

1. calcular la fuerza iónica
2. interpolar el valor del coeficiente de actividad a partir de valores conocidos
3. Conecta los coeficientes de actividad por la concentración.

Ejemplo: el pH no es realmente el pH

Probablemente le hayan dicho que si agrega un compuesto iónico no reactivo a una solución de agua pura, el pH de la solución no se verá afectado. Esto solo es cierto en el caso de soluciones muy diluidas. Este cambio de pH ocurre incluso con una sal inerte como NaNO 3 o MgCl 2 , que examinaremos en el Ejemplo 2.

Ejemplo 2 Cálculo del pH verdadero de una solución de MgCl 2

Verá que, aunque podría haber pensado que el pH de una solución salina de agua sigue siendo 7,00, el cálculo del Ejemplo 2 muestra que los iones no ácidos y no básicos todavía afectan la actividad del pH.

Ejemplo: producto de solubilidad

La solubilidad de los iones también se ve afectada. Esto es lógico porque cuanto más pronunciada es la atmósfera iónica, es menos probable que se forme un precipitado. El ejemplo 3 muestra el cálculo de CaSO 4 cuando se tienen en cuenta los coeficientes de actividad. Sin esta consideración, CaSO 4 tiene una K sp 7,1 x 10 -5 . El cálculo da una solubilidad molar de 8,34 x 10 -3 .

Ejemplo 3 Influencia de los iones espectadores en la solubilidad molar de un soluto

Después de que la expresión de equilibrio de K sp se corrige para los coeficientes de actividad iónica, hay una diferencia del 51,4% en la solubilidad molar.

Resumen de la lección

El significado de un coeficiente de actividad se explica por el comportamiento de los iones en solución. Los iones llevan una atmósfera iónica asociada que debe tenerse en cuenta en los cálculos de equilibrio que utilizan concentración.

• El coeficiente de actividad se forma a partir del cálculo de la fuerza iónica y el tamaño iónico efectivo.
• El coeficiente de actividad también se puede encontrar en una tabla de coeficientes de actividad conocidos.
• El coeficiente de actividad se utiliza para:
  • calcular la solubilidad molar a partir de K sp
  • para calcular el pH de soluciones de compuestos iónicos en agua.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador