[논문]묽은 전해질용액에서 이온의 활동도계수 계산

이만승; 손성호

doi:10.7844/kirr.2018.27.5.9

묽은 전해질용액에서 이온의 활동도계수 계산
Calculation of the Activity Coefficients of Ions in Weak Electrolyte Solutions 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.27 no.5, 2018년, pp.9 - 13

이만승 (포대학교 신소재공학과 희유금속연구소) , 손성호 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소)

초록
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화학반응의 평형상수는 표준자유에너지변화와 관련된다. 평형상수는 반응물과 생성물의 활동도의 비이며 수용액에서 이온강도의 증가로 인한 용질의 비이상성을 고려할 필요가 있다. 묽은 전해질용액에서 이온의 활동도계수를 구할 수 있는 식인 Debye-$H{\ddot{u}}ckel$ 식의 유도과정과 확장식을 설명하였다. 전해질의 평균활동도계수의 실험값로부터 이온의 활동도계수를 구하는 방법을 설명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The equilibrium constant of a chemical reaction is related to the standard Gibbs free energy change. Since equilibrium constant is defined as the ratio of the activities of the chemical species, it is necessary to consider the non-ideal behavior of the solutes as ionic strength of the solution increases. In this paper, the derivation of Debye-$H{\ddot{u}}ckel$ limiting law and its modification by which the activity coefficient of an ion can be calculated was explained. Moreover, the method to obtain the activity coefficient of an ion from the experimentally determined mean activity coefficients of an electrolyte was explained.

주제어

표/그림 (3)

표 Table 1. Variation of the mean activity coefficients of several electrolytes with ionic strength (I) at 25 °C
표 Table 2. Debye-Hückel constants at various temperatures
그림 Fig. 1. Comparison of the mean activity coefficients of NaCl at 25 °C between experimental measured and cal-culated by several Debye-Hückel modified equations.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 매우 묽은 전해질용액에서 이온의 활동도계수를 구할 수 있는 Debye-Hückel식과 그 확장식을 소개하였다.

가설 설정

Debye와 Hückel은 묽은 전해질용액에서 zie의 전하를 가진 이온은 −zie의 상대 전하를 가진 이온분위기(Ionic atmosphere)에 둘러쌓여 있다고 가정하였다3,4).
따라서 실측한 전해질의 평균 활동도계수로부터 이온의 활동도계수를 구하기 위해 MacInnes방법(Mean salt method)를 이용한다⁵⁾. MacInnes방법에서는 KCl의 평균활동도계수가 K+의 활동도계수와 같다고 가정한다. 즉,

제안 방법

표준상태에는 라울형과 헨리형이 있으며 표준상태에 따라 표준자유에너지변화가 달라진다. Debye와 Hückel은 묽은 전해질용액에서 이온을 점전하로 간주하고 이온분위기와의 쿨롱힘에 의한 정전기 포텐셜을 구하여 이온의 활동도계수를 계산할 수 있는 식을 이론적으로 유도하였다. Debye-Hückel의 극한 식에 이온의 점전하와 이온과 용매간의 반응 및 용액의 유전상수의 변화를 보정한 식은 이온강도 1.
본 논문에서는 매우 묽은 전해질용액에서 이온의 활동도계수를 구할 수 있는 Debye-Hückel식과 그 확장식을 소개하였다. 또한 실험적으로 측정한 전해질의 평균 활동도계수(Mean ionic activity coefficient)로부터 이온의 활동도계수를 구하는 방법을 설명하였다.
0 M 정도인 용액에서도 적용이 가능하다. 실험적으로 측정한 전해질의 평균활동도계수로부터 이온의 활동도계수를 구하는 방법을 설명하였다.
열역학적 함수의 절대값을 측정할 수 없으므로 물질이 실존하는 상태와 기준 상태에서 열역학적 함수 차이를 나타내기 위해 표준상태를 도입하였다. 고체와 액체는 비압축성이므로 표준상태 선택시 압력은 중요하지 않다.

이론/모형

그러나 용액의 열역학을 해석하는 경우 이온의 활동도를 구할 필요가 있다. 따라서 실측한 전해질의 평균 활동도계수로부터 이온의 활동도계수를 구하기 위해 MacInnes방법(Mean salt method)를 이용한다⁵⁾. MacInnes방법에서는 KCl의 평균활동도계수가 K+의 활동도계수와 같다고 가정한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학반응에서 표준자유에너지변화는 무엇과 관련되는가?	습식반응은 건식반응에 비해 비교적 저온에서 일어나며 열역학적으로 가능하나 반응속도가 일반적으로 느리다. 화학반응에서 표준자유에너지변화는 반응의 자발성의 척도이며 평형조성을 예측할 때 필요한 평형상수와 관련된다. 용매추출이나 이온교환과 같은 평형반응을 열역학적으로 해석하기 위해서는 반응에 참여하는 화학종의 활동도에 대한 자료가 필요하다.
	화학반응에서의 활동도는 무엇인가?	상기 식을 이용하여 평형상태에서 반응물의 전환율등을 계산하기 위해서는 활동도와 농도의 관계를 알아야 한다. 활동도란 표준상태에 비해 얼마나 활동적인가를 나타내는 척도로 표준상태와 실제상태에서 fugacity의 비로 정의된다1).
	라울형 표준상태와 헨리형 표준상태는 무엇인가?	Raoult과Henry의 법칙으로부터 2개의 표준상태를 선택할 수 있다1,2). 라울형 표준상태는 반응온도에서 안정한 상태로 존재하는 순수한 성분에 대한 값이다. 용질의 농도가 낮은 경우에는 순수한 상태를 표준상태로 정의하는 것보다는 용매에서 용질의 Henry상수를 구하여 이 값을 표준상태로 삼는 것이 더욱 편리하며, 이러한 표준상태를 헨리형 표준상태라 한다. 라울형 표준상태와 헨리형 표준상태의 가장 큰 차이점은 라울형 표준상태가 실제 그물질이 순수한 상태로 존재할 때의 값인데 반해 헨리형 표준상태의 경우에는 실제 물리계에서는 존재하지 않는 가상적인 값이라는 데 있다.

참고문헌 (6)

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Smith, E. B., 2013 : Basic physical chemistry, pp.246-249, Stallion Press, Singapore.
Bockris, J. O'M., and Reddy, A. K. N., 1970 : Modern electrochemistry Ionics, pp.230-260, Plenum Press, NY.
Han, K.N., 2002 : Fundamentals of aqueous metallurgy, pp.70-75, Society for Mining, Metallurgy and Exploration.
Zemaitis, Jr., J. F., Clark, D. M., Rafal, M., and Scrivner, N. C., 1986 : Handbook of aqueous electrolyte thermodynamics, pp.48-60, American Institute of Chemical Engineers.

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