Перейти на главную страницу
Полученные в данной работе экспериментальные и теоретические результаты обсуждались на международных и национальных конференциях:
- VIII Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Иваново, 2001 г.);
- ХIV Международная конференция по химической термодинамике (Санкт-Петербург 2002 г.);
- I, II и III конференции "Химия и применение неводных растворов" (Иваново, 1986 г.; Харьков, 1989 г.; Иваново, 1993 г.);
- XI Конференция по термодинамике органических соединений (Минск, 1990 г.);
- IV и V Всесоюзные совещания "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Иваново, 1989 г., 1991 г.);
- XIII Конференция по химической термодинамике и калориметрии (Красноярск, 1991 г.).
Диссертация изложена на 118 страницах; состоит из введения, трех глав с обсуждением результатов, итогов работы, списка использованных литературных источников и приложения; содержит 24 таблицы, 17 рисунков и библиографию из 183 наименований.
1) методы теоретического расчета термодинамических характеристик сольватации индивидуальных ионов или их составляющих, характеризующих отдельные стадии процесса сольватации;
2) методы разделения на ионные составляющие экспериментально измеренных суммарных характеристик сольватации стехиометрических смесей ионов.
Во втором разделе описаны методы определения термодинамических характеристик пересольватации ионов.
В настоящей работе для определения значений компенсирующих напряжений вольта-цепей использовался метод вертикальной струи (метод Кенрика).
Методом Кенрика измерены компенсирующие напряжения (V,В) вольта-цепи:
Ag,AgHalNaHal(m),S(Х)газовая фаза0.05m NaHal, H2OAgHal,Ag (а)
Hal - Br, I; m - моляльность электролита в интервале 2.5·10-3 - 5·10-2 моль / кг растворителя; S - смешанный водно-органический растворитель;
Х - мольная доля неводного компонента в смеси. В качестве раствора сравнения использовался раствор NaHal в воде концентрации 0.05 m.
Метод расчета химических первичных эффектов среды индивидуальных ионов основан на использовании значений реальных первичных эффектов среды индивидуальных ионов и величины изменения поверхностного потенциала на границе раздела фаз , которые связаны следующим соотношением:
, (1)
где - химический первичный эффект среды индивидуальных ионов. Из данного уравнения можно рассчитать значения
, если известна величина изменения поверхностного потенциала . Эта величина нами определена.
В таблицах 1 - 4 представлены вычисленные из экспериментальных данных по V реальные и химические
первичные эффекты среды ионов Br- и I- при 298.15 К в изученных смешанных растворителях.
Как следует из приведенных в таблицах данных, для всех исследуемых систем величины реальных первичных эффектов среды для анионов брома и иода положительны. В случае анионов наблюдается резкое увеличение в области малых добавок органического растворителя, а затем монотонное его увеличение. Такая зависимость объясняется тем, что изменение от состава смешанного растворителя зависит от двух факторов: поверхностного и объемного. Поверхностный фактор учитывает работу переноса иона из газовой фазы в объем раствора через границу раздела фаз, объемный - взаимодействие иона с растворителем в объеме раствора (химический эффект среды).
При малом содержании неводного растворителя изменение происходит, в основном, за счет поверхностного фактора. Наблюдается резкое изменение
. Затем, начиная с определенной (для каждого растворителя своей) концентрации неводного компонента, темп изменения
значительно
Таблица 1.
Значения реального первичного эффекта среды для Br- при 298.15 К
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
6.81 |
7.38 |
8.31 |
4.52 |
- |
- |
0.10 |
6.71 |
6.84 |
7.43 |
8.34 |
4.54 |
6.22 |
9.57 |
0.12 |
6.75 |
6.88 |
7.45 |
8.42 |
4.63 |
- |
- |
0.16 |
6.78 |
6.95 |
7.47 |
- |
4.71 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
8.74 |
- |
- |
- |
0.20 |
6.81 |
6.99 |
7.48 |
9.01 |
4.48 |
6.56 |
9.97 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
5.05 |
6.97 |
10.20 |
0.40 |
7.14 |
7.28 |
7.67 |
9.67 |
5.13 |
7.29 |
10.62 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
7.54 |
10.78 |
0.60 |
7.58 |
7.78 |
7.85 |
10.07 |
5.51 |
7.87 |
10.89 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
7.98 |
11.17 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
8.49 |
11.42 |
0.90 |
8.21 |
- |
- |
- |
- |
8.86 |
11.66 |
Значения реального первичного эффекта среды для I- при 298.15 К
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
7.39 |
7.61 |
8.85 |
5.08 |
- |
- |
0.10 |
7.59 |
7.45 |
7.80 |
8.93 |
5.14 |
7.17 |
10.27 |
0.12 |
7.60 |
7.48 |
7.95 |
9.27 |
5.25 |
- |
- |
0.16 |
7.61 |
7.57 |
8.05 |
- |
5.31 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
9.38 |
- |
- |
- |
0.20 |
7.62 |
7.53 |
8.16 |
9.51 |
5.35 |
7.37 |
10.47 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
5.62 |
6.97 |
10.20 |
0.40 |
8.04 |
7.66 |
8.82 |
10.25 |
5.70 |
7.75 |
10.80 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
7.95 |
10.98 |
0.60 |
8.63 |
7.97 |
9.17 |
11.04 |
6.19 |
8.14 |
11.17 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
8.81 |
11.39 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
9.08 |
11.51 |
0.90 |
9.76 |
- |
- |
- |
- |
9.34 |
11.69 |
Значения химического первичного эффекта среды для Br- при 298.15 К
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
0.12 |
0.17 |
0.57 |
0.49 |
- |
- |
0.10 |
0.17 |
0.15 |
0.20 |
0.69 |
0.58 |
0.11 |
0.14 |
0.12 |
0.21 |
0.17 |
0.23 |
0.79 |
0.61 |
- |
|
0.16 |
0.24 |
0.22 |
0.25 |
- |
0.73 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
1.15 |
- |
- |
- |
0.20 |
0.26 |
0.29 |
0.26 |
1.29 |
0.81 |
0.39 |
0.47 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
0.95 |
0.75 |
0.71 |
0.40 |
0.69 |
0.92 |
0.39 |
1.95 |
1.16 |
1.07 |
1.12 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
1.32 |
1.29 |
0.60 |
1.04 |
1.09 |
0.64 |
2.24 |
1.43 |
1.65 |
1.40 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
1.76 |
1.68 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
2.27 |
1.93 |
0.90 |
1.67 |
- |
- |
- |
- |
2.64 |
2.17 |
Значения химического первичного эффекта среды для I- при 298.15 К
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
0.16 |
0.32 |
0.85 |
0.55 |
- |
- |
0.10 |
0.32 |
0.19 |
0.34 |
1.61 |
0.58 |
0.37 |
0.19 |
0.12 |
0.33 |
0.24 |
0.45 |
1.12 |
0.67 |
- |
- |
0.16 |
0.34 |
0.31 |
0.58 |
- |
0.76 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
1.38 |
- |
- |
- |
0.20 |
0.35 |
0.36 |
0.72 |
1.68 |
0.82 |
0.51 |
0.55 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
0.99 |
0.89 |
0.73 |
0.40 |
0.80 |
1.04 |
1.36 |
2.42 |
1.16 |
1.15 |
1.18 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
1.45 |
1.36 |
0.60 |
1.36 |
1.12 |
1.71 |
3.22 |
1.54 |
1.84 |
1.45 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
2.01 |
1.79 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
2.28 |
2.09 |
0.90 |
2.49 |
- |
- |
- |
- |
2.74 |
2.27 |
Различие в знаках анионов (табл.1,2) и катионов (рис.1) объясняется тем, что при малых добавках неводного растворителя работа выхода анионов (изменение реальной энергии сольватации, взятое с обратным знаком) существенно уменьшается в связи со значительным изменением структуры поверхностного слоя на границе растворгазовая фаза. Поверхностно-активные молекулы органического растворителя, адсорбируясь на поверхности воды, сообщают газовой фазе более отрицательный потенциал. Благодаря этому, образовавшийся двойной слой адсорбированных молекул неводных растворителей препятствует выходу анионов из воды в водно-органический растворитель через границу раздела фаз. Для катионов этот слой способствует выходу этих частиц из раствора.
Химические и реальные
эффекты среды существенно различаются по физическому смыслу:
измеряются работой переноса одного моля компонента i из стандартного состояния в растворителе сравнения в стандартное состояние в исследуемом растворителе;
кроме этой работы переноса, включают работу по преодолению двух межфазных границ, отличающихся межфазными потенциалами.
Как следует из представленных в таблицах 3,4 данных, для всех изученных систем значения положительны и увеличиваются с ростом концентрации неводного компонента. Это говорит о том, что ионы брома и иода лучше сольватированы водой, чем водно-органическим растворителем. Это, отчасти, связано с уменьшением диэлектрической проницаемости водно-органической смеси и, как следствие, уменьшением электростатической составляющей энергии сольватации Гиббса.
Термодинамические характеристики пересольватации не дают возможности определенно судить о количественном составе смешанных сольватных оболочек, однако позволяют количественно сравнить сольватирующие свойства растворителей и способность к сольватации различающихся по химической природе ионов.
Изменение реальных и химических
энергий сольватации ионов рассчитывались по следующим уравнениям:
(2)
(3)
Таблица 5.
Химические энергии Гиббса переноса
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
0.8 |
0.9 |
3.3 |
3.0 |
- |
- |
0.10 |
1.1 |
0.9 |
1.1 |
3.5 |
3.3 |
0.2 |
0.4 |
0.12 |
1.2 |
1.0 |
1.3 |
4.7 |
3.8 |
- |
- |
0.16 |
1.5 |
1.2 |
1.4 |
- |
4.1 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
5.5 |
- |
- |
- |
0.20 |
1.6 |
1.7 |
1.5 |
7.4 |
4.7 |
2.1 |
2.7 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
6.5 |
4.3 |
4.0 |
0.40 |
3.5 |
5.3 |
2.2 |
11.2 |
6.6 |
6.1 |
6.4 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
7.5 |
7.4 |
0.60 |
5.9 |
6.2 |
3.7 |
13.3 |
8.8 |
9.4 |
7.9 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
10.0 |
9.6 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
12.9 |
11.0 |
0.90 |
9.5 |
- |
- |
- |
- |
15.1 |
12.4 |
Химические энергии Гиббса переноса
X |
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
0.00 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.08 |
- |
1.0 |
1.1 |
5.6 |
3.2 |
- |
- |
0.10 |
1.7 |
1.1 |
1.9 |
6.2 |
3.5 |
2.1 |
0.5 |
0.12 |
1.8 |
1.2 |
2.4 |
6.6 |
4.0 |
- |
- |
0.16 |
1.9 |
1.6 |
2.9 |
- |
4.4 |
- |
- |
0.18 |
- |
- |
- |
8.2 |
- |
- |
- |
0.20 |
2.0 |
2.1 |
4.3 |
9.6 |
4.8 |
2.9 |
3.1 |
0.30 |
- |
- |
- |
- |
6.6 |
3.9 |
4.2 |
0.40 |
4.6 |
5.9 |
7.8 |
13.8 |
6.7 |
5.4 |
6.7 |
0.50 |
- |
- |
- |
- |
- |
6.6 |
7.8 |
0.60 |
7.8 |
6.4 |
9.8 |
18.4 |
9.5 |
7.6 |
8.3 |
0.70 |
- |
- |
- |
- |
- |
11.5 |
10.2 |
0.80 |
- |
- |
- |
- |
- |
13.0 |
11.9 |
0.90 |
14.2 |
- |
- |
- |
- |
14.5 |
12.9 |
Величины имеют положительные значения и растут при увеличении содержания неводного компонента, что можно объяснить ослаблением сольватации этих ионов в водно-органических смесях по сравнению с водой. Эта общая тенденция имеет в каждом растворителе свои особенности.
При этом, что на наш взгляд важно отметить, поведение катионов и анионов в некоторых растворителях существенно различается.
В водно-спиртовых растворителях, в богатых водой областях, ионы преимущественно гидратированы, так как спирты обладают меньшей сольватирующей способностью по сравнению с водой. С увеличением содержания спирта в смешанном растворителе происходит процесс пересольватации.
Для водно-спиртовых систем величины [2,3,5] при увеличении концентрации спирта до 0.60 м.д. возрастают приблизительно на 16 кДж··моль-1. Для анионов картина иная: величины
тоже возрастают, но значительно меньше.
Это позволяет сделать вывод, что при добавлении к воде протонных растворителей основной вклад в общую энергию пересольватации бромида и иодида натрия вносит катион. При этом ослабление сольватации у катионов проявляется в большей, чем у анионов, степени. По-видимому, в изученной области составов в случае анионов вытеснение молекул воды молекулами спирта протекает не так интенсивно, как в случае катионов, и их сольватные оболочки остаются состоящими преимущественно из молекул воды. Вероятно, здесь большую роль играет специфичность гидратации анионов, которая выражается в их способности образовывать с молекулами воды связи по типу водородных.
Сопоставление величин для катионов [1,3] и анионов свидетельствует о том, что вклады ионов противоположного знака в общую энергию пересольватации приблизительно одинаковы во всем изученном диапазоне составов. Этот факт может рассматриваться как свидетельство, говорящее в пользу допущения, что состав сольватных оболочек ионов в водно-ацетоновых смесях изменяется примерно пропорционально изменению состава растворителя по всей его массе.
Для смеси вода-ацетонитрил при изменении состава растворителя до X=0.60 м.д. неводного компонента значения ионов натрия [1] увеличиваются на 4 кДж·моль-1, а для ионов брома и иода на 8-9 кДж·моль-1. Таким образом, в водно-органических смесях, в которых в качестве неводного компонента выступает полярный апротонный растворитель - ацетонитрил, в отличие от тех смесей, где добавками к воде являются протонные растворители - спирты, основной вклад в общую энергию пересольватации исследуемых электролитов вносит анион. Для катионов наблюдается противоположная картина.
Полученные данные можно объяснить тем, что ацетонитрил обладает слабой сольватирующей способностью по отношению к катионам, сольватная оболочка которых, по крайней мере, в ближайшем окружении, состоит в основном из молекул воды даже при относительно высоких концентрациях MeCN. Более того, согласно литературным данным, в присутствии ацетонитрила прочность связи катион-вода несколько усиливается.
Диметилсульфоксид и диметилформамид относятся к классу растворителей, молекулы которых способны вступать в донорно-акцепторную связь с ионами металлов. По этой причине при замене в сольватной оболочке молекул воды на молекулы DMSO и DMF положительный вклад в эффекта дегидратации компенсируется отрицательным вкладом эффекта сольватации катиона молекулами апротонного электронодонорного растворителя. Анионы, способные образовывать с протонодонорными растворителями водородные связи, в апротонных растворителях сольватируются слабо. Погрешность в определении
составляет 0.3 кДж·моль.
Нами вычислены значения изменений поверхностных потенциалов на границе раздела раствор |газовая фаза для исследуемых органических растворителей и представлены в таблице 7.
Таблица 7.
Значения изменений поверхностного потенциала на границе раздела растворгазовая фаза для исследуемых органических растворителей (В) при температуре 298.15 К
|
Растворитель | ||||||
Потенциал (В)
|
EtOH |
n-PrOH |
i-PrOh |
Me2CO |
MeCN |
DMSO |
DMF |
- [наши]
|
0.260 |
0.267 |
0.275 |
0.337 |
0.108 |
0.238 |
0.434 |
- [литер]
|
0.290 0.270
|
|
|
0.340 0.330
|
0.100 |
0.210 0.290
|
0.460 0.540
|
Величина погрешности определения поверхностного потенциала является основным моментом при расчете химических термодинамических характеристик отдельных ионов в растворах. В наших расчетах эта величина составила 0,001 В.
1. Методом компенсирующих напряжений вольта-цепей определены электрохимические характеристики растворов бромида и иодида натрия в смешанных растворителях [H2O - EtOH, - n-PrOH, - i-PrOH, - Me2CO, - MeCN, - DMSO, - DMF] в объеме жидкой фазы и на границе раздела растворгазовая фаза.
2. На основе полученных электрохимических экспериментальных данных рассчитаны: реальные и химические первичные эффекты среды
; значения поверхностных потенциалов исследуемых органических растворителей; изменения реальной и химической энергии Гиббса при переносе ионов брома и иода из воды в водно - органический растворитель при 298.15 К.
3. Проведено сравнение влияния состава смешанного растворителя на термодинамические параметры сольватации индивидуальных ионов. Найдены закономерности между изменениями этих характеристик, свойствами и структурными особенностями водно-органических смесей и природой ионов.
4.Установлены и объяснены следующие закономерности.
- Реальные первичные эффекты среды катионов и анионов имеют противоположные знаки. Характер их зависимости от состава смешанного растворителя определяется конкуренцией поверхностного и объемного вкладов. При малом содержании неводного компонента (X 0.1 м.д.) преобладает первый вклад.
- При добавлении к воде спиртов основной вклад в энергию пересольватации стехиометрической смеси ионов вносит катион.
- Состав сольватной оболочки в водно-ацетоновых смесях изменяется пропорционально изменению состава растворителя в объеме.
- Для смесей вода-ацетонитрил основной вклад в общую энергию пересольватации вносит анион. Катион сольватирован слабо.
- В смесях вода-DMSO и вода-ДМF при замене молекул воды на молекулы апротонных растворителей имеет место компенсация эффекта дегидратации эффектом координационной сольватации катиона электродонорными центрами неводного компонента. Анионы сольватированы слабо.
3. Парфенюк В.И., Чанкина Т.И. Электрохимическое исследование растворов бромида натрия в смесях вода-ацетон, вода-изопропанол // Журн. физ. химии. 1992. Т.6. № 10. С.2781-2782
4. Чанкина Т.И., Кудринская Е.В. Парфенюк В.И Электрохимическое исследование систем хлорид кальция-вода-ацетон и хлорид кадмия-вода-ацетон методом ЭДС цепей без переноса. // Рукопись деп. в ВИНИТИ. 9.04.90 от № 1919-В90. 9 с.
5. Чанкина Т.И., Парфенюк В.И. Исследование сольватации ионов брома, иода и натрия в смесях вода-н-пропанол методом вольтовых разностей потенциалов. // Рукопись деп. в ВИНИТИ. 25.06.9 от № 2649-В91. 8 с.
6. Чанкина Т.И., Парфенюк В.И. Термодинамические характеристики сольватации иодида и бромида натрия в смесях вода-этиловый спирт. // Рукопись деп. в ВИНИТИ. 24.09.91 от № 3786-В91 (Электрохимия. 1992. Т.28. Вып.3). 9 с.
7. Чанкина Т.И., Парфенюк В.И. Электрохимическое исследование систем бромид натрия-вода-н-пропанол, иодид натрия-вода-н-пропанол методом ЭДС цепей без переноса.. // Рукопись деп. в ВИНИТИ. 24.09.91 от № 3787-В91 (Электрохимия. 1992. Т.28. Вып.3). 8 с.
11. Парфенюк В.И., Чанкина Т.И. Исследование сольватации бромид- и иодид-ионов в смесях вода-н-пропанол методом вольтовых разностей потенциалов. // Электрохимия. 1996. Т.32. № 8. С.993-995
Ом плане находится информация о свойствах отдельных ионов в растворах. Это: особенности взаимодействий катион-растворитель и анион-растворитель; кинетика и механизм электродных про
10 10 2014
1 стр.
Цель дисциплины: освоение современных методов определения и расчета термодинамических характеристик реакций комплексообразования в растворах
13 10 2014
1 стр.
Актуальность темы. Изучение вопросов туризма является в настоящее ¦ время одной из приоритетных задач географической науки, в связи с общей
15 12 2014
1 стр.
Степень повреждения фиброзного кольца также влияет на результат. Все это обусловливает актуальность разработки и применения минимально инвазивных методов лечения компрессионного ко
01 10 2014
1 стр.
Подобное состояние является показанием к хирургическому вмешательству, направленному на удаление секвестра диска. К сожалению, нередко в послеоперационном периоде наблюдаются рецид
24 09 2014
3 стр.
Вероятно, что некоторые виды флоры произрастают на Мяо-Чане на пределе распространения. В связи с этим проблемы изучения и сохранения биоразнообразия на исследуемой территории прио
16 12 2014
1 стр.
Одним из путей, обеспечивающих более полное использование древесного сырья, является рациональная раскряжевка вершинной части хлыстов с заготовкой тонкомерно-короткомерного сырья (
16 12 2014
1 стр.
Аэродинамическое качество одна из самых важных характеристик планера: это отношение дальности полета с высоты н к этой дальности
14 12 2014
1 стр.