Какие исходные величины потребуются
Укажите «Активность ионов в разбавленной ячейке», «Активность ионов в концентрированной ячейке», «Температура (К)». Это основные параметры выбранной постановки: они описывают исходное состояние, состав либо положение равновесия. Для контрольного набора указаны следующие числа: Активность ионов в разбавленной ячейке: 0.01; Активность ионов в концентрированной ячейке: 0.3; Температура (К): 298.15 К. Их можно заменить значениями из химического анализа, измерения потенциала или справочных таблиц. Величины должны соответствовать одному состоянию системы, а не быть собраны из опытов при разных температурах без поправок.
Остальные входные величины: «Модуль заряда иона», «Количество переноса ионов (моль)». В этой модели их роль не декоративная: они участвуют в вычислении энергетических изменений, долей или вещества, доступного для превращения. Если входы задают константы, необходимо помнить о стандартном состоянии; если задают концентрации, нельзя подменять молярную концентрацию массовой долей. Особенно опасно использовать константу, рассчитанную для другой температуры или другой ионной силы. В частности, здесь проверяются входные данные: Активность ионов в разбавленной ячейке, Активность ионов в концентрированной ячейке.
Уравнения и контроль материального баланса
Основное уравнение записывается так: E=(RT/zF)ln(aвыс/aниз); ΔG=−zFE. Для задач со степенью реакции количества компонентов меняются в соответствии со стехиометрическими коэффициентами. Для задач с активностями важно отдельно определить, какой вид частного реакции используют в расчёте. Если константа близка к нулю или чрезвычайно велика, чувствительность к округлению может резко возрастать; поэтому вычисления выполняются без предварительного округления вводимых чисел.
С указанными по умолчанию параметрами получается «ЭДС концентрационного элемента, В»: 0.0436928; также вычисляется «Изменение энергии Гиббса, кДж»: -0.168628. Остальные числовые показатели показывают связанный состав или энергетическую характеристику и помогают обнаружить несоответствие размерностей. При проверке сложных выражений полезно подставить результаты обратно в исходное уравнение и удостовериться, что сумма компонентов не изменилась там, где она должна сохраняться.
Что меняется при другой загрузке или температуре
Для сравнения двух расчётов измените поле «Активность ионов в разбавленной ячейке»: в дополнительном примере исходное значение 0.01 заменяется на 0.009. Тогда показатель «ЭДС концентрационного элемента, В» становится равным 0.0450463. Такой способ позволяет увидеть влияние одного параметра, удерживая прочие неизменными. Однако в реальной лаборатории некоторые условия связаны: например, измеренная константа и температура не всегда могут изменяться независимо друг от друга.
В концентрационном элементе напряжение возникает без разных химических веществ на электродах. Источник свободной энергии — разность химических потенциалов одинаковых ионов. При интерпретации сравните относительные доли компонентов и знак рассчитанной свободной энергии, когда он присутствует среди результатов. Положительная энергия при заданном составе не означает невозможность обратной реакции; отрицательная энергия не означает мгновенное превращение. Если наблюдения не совпадают с вычислениями, сначала проверьте температуру и концентрационную основу расчёта, затем — наличие побочных реакций и неидеальности раствора или газа.
Границы модели и проверка результата
Основное допущение для этой задачи: Пренебрежимо малое сопротивление, отсутствие жидкостного диффузионного потенциала; напряжение соответствует начальным активностям. Модель следует рассматривать как математическое описание определённого химического равновесия. Она не учитывает любые возможные соединения, потери при пробоподготовке или произвольные поправки к активности, которых нет среди входных данных. Для сложных растворов, больших давлений и смесей с несколькими фазами может потребоваться специализированная термодинамическая модель.
Перед применением вычисленных величин запишите источник исходной константы и экспериментальные условия. Проверьте выбранные единицы, химическую стехиометрию, состав до и после превращения, а также совпадение стандартных состояний. Если результат используется для технологического оборудования, сравните его с экспериментальной точкой и независимым расчётом. Программа показывает, что следует из введённой модели, но сама по себе не подтверждает безопасность режима или корректность химических данных. Для задачи «Концентрационный элемент: ЭДС и работа» дополнительно сверьте: E=(RT/zF)ln(aвыс/aниз); ΔG=−zFE.
Формула расчёта
E=(RT/zF)ln(aвыс/aниз); ΔG=−zFE.
Проверенные примеры
Активность ионов в разбавленной ячейке = 0.01 ; Активность ионов в концентрированной ячейке = 0.3 ; Температура (К) = 298.15 К; Модуль заряда иона = 2 ; Количество переноса ионов (моль) = 0.02 моль
ЭДС концентрационного элемента, В = 0.043693; Максимальная полезная работа, кДж = 0.168628; Изменение энергии Гиббса, кДж = -0.168628; Отношение активностей = 30.000000
Активность ионов в разбавленной ячейке = 0.009 при остальных исходных значениях
ЭДС концентрационного элемента, В = 0.045046; Максимальная полезная работа, кДж = 0.173852; Изменение энергии Гиббса, кДж = -0.173852; Отношение активностей = 33.333333
Активность ионов в разбавленной ячейке = 0.0093 при прочих исходных значениях
ЭДС концентрационного элемента, В = 0.044625; Максимальная полезная работа, кДж = 0.172226; Изменение энергии Гиббса, кДж = -0.172226; Отношение активностей = 32.258065
Как пользоваться онлайн-калькулятором
- Укажите «Активность ионов в разбавленной ячейке» (без единицы), от 1e-10 до 1000.
- Укажите «Активность ионов в концентрированной ячейке» (без единицы), от 1e-10 до 1000.
- Укажите «Температура» (К), от 250 до 700.
- Укажите «Модуль заряда иона» (без единицы), от 1 до 6.
- Укажите «Количество переноса ионов» (моль), от 1e-07 до 100000.0.
- Сопоставьте результаты с физическими ограничениями и условием применимости.