Izotoniskais koeficients

Izotoniskais koeficients (saukts arī par van't Hofa faktoru; apzīmē ar i) — bezdimensijas parametrs, kas raksturo vielas uzvedību šķīdumā. Skaitliski tas ir vienāds ar attiecību, kuru veido kādas konkrētas vielas šķīduma jebkuras koligatīvās īpašības vērtība pret identas koncentrācijas jebkura neelektrolīta šķīduma tās pašas koligatīvās īpašības vērtību, citiem sistēmas parametriem nemainoties:

$i={\frac {\pi _{solut.}}{\pi _{nel.~solut.}}}={\frac {\Delta T_{bp~solut.}}{\Delta T_{bp~nel.~solut.}}}={\frac {\Delta T_{mp~solut.}}{\Delta T_{mp~nel.~solut.}}}={\frac {\Delta p_{solut.}}{\Delta p_{nel.~solut.}}}$ ,

kur solut. — dotais šķīdums, nel. solut. — tās pašas koncentrācijas neelektrolīta šķīdums, T_bp — viršanas temperatūra, bet T_mp — kušanas (sasalšanas) temperatūra.

Jēdziena nozīme

Parametra jēga izriet no jebkuras koligatīvās īpašības definīcijas — šīs īpašības ir atkarīgas no izšķīdušās vielas daļiņu koncentrācijas šķīdumā. Neelektrolīti šķīdumā nedisociē, tātad ik neelektrolīta molekula veido šķīdumā vienu vienīgu daļiņu. Savukārt, elektrolīti šķīdumā solvatācijas ietekmē daļēji vai pilnībā dalās jonos, līdz ar to no katras disociējošās molekulas veidojoties vairākām daļiņām. Attiecīgi, arī šī šķīduma koligatīvās īpašības (aditīvi lielumi) ir atkarīgas no visu to veidu daļiņu (jonu) satura šķīdumā, kuriem pieder molekulas disociācijā radušās daļiņas, tas ir, šķīdumu iedomājas kā visu tajā esošo daļiņu šķīdumu sajaukumu. Piemēram, hlorkaļķu šķīdums satur triju veidu daļiņas — kalcija katjonus, hlorīdanjonus un hipohlorītanjonus.

Tātad izotoniskais koeficients rāda, cik reizes vairāk daļiņu ir kāda elektrolīta šķīdumā salīdzinājumā ar tās pašas koncentrācijas neelektrolīta šķīdumu, un ir saistīts ar vielas spēju šķīdumā dalīties jonos — ar tās disociācijas pakāpi. Ja vielas formulvienība vai molekula satur n jonus (vai atomus pie polārām saitēm, kas šķīdumā pārtop jonos), sākotnējo molekulu daudzums ir N un savienojuma disociācijas pakāpe ir α, tad disociējušu molekulu skaits ir N·α (un no tām veidojas N·α·n joni), bet kopā šķīdumā atrodas ((N - N·α) + N·α·n) daļiņas.

Izotoniskais koeficients līdz ar to ir vienāds ar:

$i={\frac {N-N\cdot \alpha +N\cdot \alpha \cdot n}{N}}={\frac {N(1-\alpha +\alpha \cdot n)}{N}}=1+\alpha (n-1)$ .

Izotoniskais koeficients stipro elektrolītu šķīdumos

Tā kā stiprie elektrolīti disociē praktiski pilnībā, tiem varētu sagaidīt izotonisko koeficientu, kas ir vienāds ar jonu (vai polarizēto atomu) skaitu formulvienībā (molekulā). Tomēr īstenībā šis koeficients vienmēr ir mazāks par teorētisko, kas noteikts no formulas. Piemēram, 0,05—molālā nātrija hlorīda šķīduma izotoniskais koeficients ir 1,9, nevis 2,0 (tās pašas koncentrācijas magnija sulfāta šķīdumam vispār i = 1,3). Šo parādību izskaidro stipro elektrolītu teorija, ar kuru 1923. gadā nāca klajā P. Debajs un Ē. Hikelis: jonu kustību šķīdumā ievērojami apgrūtina ap tiem izveidojies solvatācijas apvalks. Joni turklāt mijiedarbojas arī savstarpēji — katjoni un anjoni kā dažādas zīmes lādiņi savstarpēji pievelkas, bet vienādas zīmes lādiņu nesošās daļiņas savstarpēji atgrūžas viena no otras. Savstarpējās pievilkšanās spēku iedarbībā rodas jonu grupas, kas šķīdumā telpā pārvietojas kopā. Šādas grupas dēvē par jonu asociātiem jeb jonu pāriem. No tā visa izriet, ka šķīduma uzvedība ir tāda, it kā tas saturētu mazāk daļiņu nekā īstenībā, jo to kustība ir aizkāvēta. Visuzskatāmāk to var redzēt no šķīdumu elektrovadītspējas λ, kura pieaug līdz ar šķīduma atšķaidījumu. Īstenās šķīduma elektrovadītspējas un bezgalīgi atšķaidītā šķīduma elektrovadītspējas attiecību sauc par stipro elektrolītu šķietamo disociācijas pakāpi un, tāpat kā parasto disociācijas pakāpi, apzīmē ar α:

$\alpha ={\frac {\lambda }{\lambda _{\infty }}}={\frac {n_{img}}{n_{disslv.}}}$,

kur n_img ir daļiņu šķietams, bet n_disslv. — reāls daudzums šķīdumā.

Ārējo faktoru ietekme

Ir acīmredzami, ka jonu mijiedarbība samazinās līdz ar temperatūras pieaugumu (pieaugušās siltumkustības intensitātes dēļ), kā arī līdz ar to koncentrācijas samazināšanos, tas ir, līdz ar šķīduma atšķaidīšanu,— tad kļūst mazāka divu daļiņu saskriešanās varbūtība. Ekstrapolējot atšķaidījumu bezgalības virzienā, koeficients i tiecas uz savu maksimālo vērtību, kuru nosaka no savienojuma formulas. Vienlaikus ar to, atbilstoši minētajai atkarībai, pieaug arī α, tiecoties uz vieninieku (1).

Izotonisko koeficientu ieviesa XIX gadsimta pēdējā ceturksnī J. H. van't Hofs. 1901. gadā viņš par nopelniem šķīdumu pētīšanā pirmais saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.

Literatūra

• Kokars, V. Vispārīgā ķīmija (1. daļa). Rīga: RTU izdevniecība, 2009. 286 lpp.