В процессе производства кормов, при подготовке их кскармливанию или при консервировании для длительного хранения внастоящее время используется электрообработка [3]. Обычно [1, 3], для увлажнения растительных объектов используется раствор хлорида натрия либо хлорида калия смассовой долей растворенного вещества от 1 % до 2 %.
В нашем же случае, вкачестве раствора, применяемого для увлажнения зерновой массы, было принято решение использовать раствор бишофита. Вбишофите массовая доля растворенного вещества хлорида магния составляет 96 %. Волгоградская область богата залежами этого минерала, добываемого ввиде рассола, поэтому естественен интерес волгоградских ученых квсестороннему исследованию свойств бишофита [2, 4]. На практике [4] при предкормовой электрообработке растительного сырья сбишофитом были получены положительные результаты. Предположив, что эффект обусловлен электрохимическими свойствами хлорида магния, являющимся основным компонентом бишофита, было решено сравнить их cаналогичными свойствами электролитов, используемых в[1, 3].
Цель работы: рассчитать ряд электрохимических показателей водного раствора хлорида магния (ионную силу электролита, радиус ионной атмосферы, энергию взаимодействия ионов, степень активности ионов) ипровести сравнительный анализ саналогичными данными для растворов хлоридов натрия икалия смассовой долей солей 2 % (w=2 %).
Материалы и методы исследования
Расчет по формулам теории Дебая-Хюккеля для сильных электролитов.
Результаты исследования иих обсуждение
1.Ионная сила электролита является мерой интенсивности электрического поля, создаваемого ионами врастворе, иявляется одной из важнейших характеристик раствора (электролита).
Ионную силу можно определить по формуле:
, (1)
где Zi – заряд иона; Сi– молярная концентрация ионов данного сорта.
Молярная масса раствора хлорида магния (w=2 %)– M(MgCl2) = (24+35,5.2)=95 (г/моль).
Выразив молярную концентрацию через массовую долю, учитывая, что плотность раствора при 20 °С r=1,015 г/дм3, получим для 2 % раствора хлорида магния
.
Тогда ионная сила 2 % хлорида магния вмоль/л получится
.
Аналогично определим ионную силу электролита раствора хлорида натрия (w=2 %), учитывая, что плотность раствора при 20 °С r=1,012 г/дм3.Молярная концентрация С(NaCl) = 0,346 моль/л, ионная сила 
.
Для электролита раствора хлорида калия плотность раствора при 20 °С r=1,011 г/дм,3 (w=2 %), получаем, что молярная концентрация С(KCl)= 0,270 моль/л, ионная сила 
.
Из полученных расчетных показателей видно, что ионная сила 2 %-ного раствора хлорида магния, являющегося основным компонентом бишофита, в1,86 раза больше, чем у2 %-го раствора хлорида натрия ив 2,38 раза больше, чем ионная сила 2 %-го раствора хлорида калия, а, следовательно, иколичество носителей заряда вединице объема врастворе хлорида магния больше, чем для хлоридов натрия икалия всоответствующее количество раз (при одинаковых массовых долях соли w=2 %). Здесь следует также отметить, что электропроводность электролитов определяется количеством носителей заряда внем.
Ионная сила раствора имеет большое значение втеории сильных электролитов Дебая-Хюккеля. Основное уравнение этой теории (предельный закон Дебая-Хюккеля) показывает связь между коэффициентом активности иона иионной силой раствора.
2.Известно, что коэффициенты активности ионов зависят от состава иконцентрации раствора, от заряда, природы иона ипрочих условий. Однако вразбавленных растворах (С≤0,5 моль/л) природа иона слабо влияет на величину его коэффициента активности. Приближенно можно считать, что вразбавленных растворах коэффициент активности иона зависит только от заряда иона иионной силы раствора. Используя формулу Дебая-Хюккеля во втором приближении, находим коэффициент активности γi данного сорта ионов по формуле:
. (2)
Рассчитанные значения коэффициента активности ионов конкретного сорта:
а) ln γMg2+=– 0,713 иγMg+2= 0,490;
б) ln γNa+=– 0,185 иγNa+= 0,831;
в) ln γK+=– 0,171 иγK+= 0,843.
Из анализа результатов видно, что в2 %-х растворах электролитов коэффициент активности катиона магния в1,70 раз меньше, чем укатионов натрия ив 1,72 раз, чем укатионов калия.
Это объясняется тем, что, во-первых, вокруг катиона магния сольватная оболочка содержит большее количество молекул воды; во-вторых, молекулы воды более плотно вней «упакованы» за счет более сильного поляризующего действия катиона магния. Плотность заряда, распределенная по поверхности гидратной оболочки катиона магния больше, чем унатрия, калия, вследствие чего энергия взаимодействия катионов магния ихлора наибольшая урассматриваемых ионов. Эти эффекты значительно снижают активность катиона магния врастворе, что, собственно, ивыражает коэффициент активности.
Неидеальность раствора электролита определяется взаимодействием ионов друг сдругом ис молекулами растворителя. При достаточно низкой концентрации ионов (менее 0,5 моль/л) каждый из них окружен ионной атмосферой, ивзаимодействие ионов противоположного знака осуществляется через их сольватные оболочки исвободные диполи молекул воды. Число молекул воды, присоединенных ккатиону, его лигандность, определяется размерами катиона иследовательно чем меньше радиус иона, адля Na+ он равен 0,095нм, К+– 0,133 нм, Mg2+– 0,065нм, тем при конкретной величине заряда (Na+ иК+, Mg2+) сильнее гидратирован именно ион магния по сравнению сболее крупными ионами, вкоторых заряд распределен по большей поверхности.
3.Радиус ионной атмосферы выражают через χ– параметр Дебая-Хюккеля, имеющий размерность, обратную длине. Его находят из соотношения [5]:
, (3)
где ε0– электрическая постоянная (ε0 =8,85.10-12 Ф/м), ε– диэлектрическая проницаемость растворителя (воды, ε=81); е– элементарный заряд электрона е=–1,6.10-19Кл; zi– заряд иона; R– газовая постоянная R= 8,31 Дж моль-1К-1, Т– абсолютная температура, К, ni– число частиц вединице объема (1м3) находим, используя значение молярной концентрации (Сi, моль/л) ичисло Авогадро из соотношения 
.
В выражении (3) суммирование проводится по всем сортам ионов i, асам усредненный радиус ионной атмосферы, используя значение ионной силы, рассчитывается по формуле:
. (4)
С учетом выражений (3) и(4) находим радиус ионной атмосферы (R) для:
а) хлорида магния (w=2 %)– R=383 нм;
б) хлорида натрия (w=2 %)– R=521 нм;
в) хлорида калия (w=2 %)– R =590 нм.
Радиус ионной атмосферы 1/c условно характеризует то расстояние от центрального иона, на котором надо было бы разместить все заряды, входящие вионную атмосферу, чтобы их суммарное влияние на центральный ион было бы равно суммарному влиянию существующей ионной атмосферы.
Из представленных результатов расчетов видно, что для 2 %-х растворов электролитов усредненный радиус ионной атмосферы катионов магния меньше, чем укатионов натрия икалия.
Однако вионной атмосфере катиона Mg2+ молекул воды больше при меньшем ионном радиусе. Это можно объяснить тем, что всольватной оболочке катиона магния молекулы воды более плотно «упакованы». Данное обстоятельство объясняется более сильным поляризующим действием катиона магния на молекулы растворителя, чем укатионов натрия икалия. При этом поляризующее действие катионов прямо пропорционально их заряду.
4.Теория Дебая– Хюккеля, исходящая из классической теории статистической механики иэлектростатики, позволяет определить свободную энергию взаимодействия ионов врастворе. При этом рассматривается система, состоящая из центрального иона иокружающей его атмосферы противоионов. Эта теория справедлива для сильных электролитов, какими являются хлориды магния, натрия икалия.
Энергия взаимодействия ионов, приходящаяся на 1 моль электролита, которую необходимо затратить на разрушение ионной атмосферы [5]:
. (5)
Эта свободная энергия взаимодействия ионов для рассматриваемых растворов равна:
а)для 2 % хлорида магния; GMgCl2=– 8,94 Дж/моль;
б)для 2 % хлорида натрия; GNaCl =– 1,64 Дж/моль;
в)для 2 % хлорида калия; GKCl =– 1,45 Дж/моль.
Сравнение значений свободных энергий взаимодействия ионов врастворах хлоридов магния, натрия икалия показывает, что ион магния взаимодействует смолекулами растворителя в5,45 раз активнее, чем ион натрия ив 6,16 раз активнее, чем ион калия стеми же молекулами растворителя. Энергия взаимодействия рассматриваемых ионов напрямую связана сих активностью, характеризующуюся через коэффициенты активности ионов.
Выводы
Ионная сила исследуемого раствора хлорида магния (бишофита) больше, чем ионная сила растворов хлорида натрия ихлорида калия. Это означает, что количество носителей заряда вединице объема врастворе хлорида магния (бишофита) больше, чем врастворах хлоридов натрия икалия. Электропроводность раствора хлорида магния выше, чем растворов хлоридов натрия, калия (при одинаковых массовых долях соли, равных 2 %).
Параметр Дебая-Хюккеля подчеркивает более сильное поляризующее действие катионов магния по сравнению скатионами натрия икалия.
Из сравнения значений свободных энергий взаимодействия ионов врастворах видно, что ион магния взаимодействует смолекулами растворителя активнее, чем ионы натрия икалия. Это подтверждает ианализ полученных значений коэффициентов активности катиона магния по сравнению сэтим же показателем для катионов натрия икалия.
Библиографическая ссылка
Родионов С.Н., Зотов В.М., Пантелеев А.К., Филимонова З.А. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОЛИТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 10-1. – С. 47-49;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4049 (дата обращения: 04.12.2024).