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多元不饱和水溶液的等压法可直接用于检验偏理想溶液模型和偏稀溶液模型对各类饱和溶液的适用性。测定的实验数据可以填补文献中不饱和多元溶液渗透系数值的空白,可以用于检验Pitzer模型等著名活度系数模型对多元不饱和溶液渗透系数和活度系数的预测功能,同时也为进一步发展和完善这些模型提供了较全面的热力学信息。
王之昌先生从Zdanovskii的水活度恒定条件下混合电解质水溶液的线性浓度规则和Turkdogan的铁合金熔体中碳的溶解度线性浓度规则出发,开创性研究并发现了各类多元实际溶液{A+B+C+…+Z}在组分A化学势恒定下与其二元亚系{A+i}(i∈B,C,…,Z)之间的简单联系,形成偏简单溶液理论,其中与偏理想溶液模型相应的线性浓度规则适用于B,C,…,Z之间交换能为零的体系;与偏稀溶液模型相应的线性浓度规则适用于B,C,…,Z之间交换能不为零的体系。也就是说,若纯组元A+经典的理想溶液{B+C+…+Z}=偏理想溶液{A+B+C+…+Z};若纯组元A+经典的稀溶液{B+C+…+Z}=偏稀溶液{A+B+C+…+Z}。这两个简单的线性浓度规则已经得到大量实验验证,并正在进一步拓展适用领域。
1998年,王之昌先生推广了上述偏理想溶液模型和偏稀溶液模型,通过求解热力学微积分方程并利用统计学原理,提出了实际溶液体系{A1+A2+…+Aq+B+C+…+Z}在组元A1,A2,…,Aq化学势恒定时相关于其(q+1)元亚系{A1+A2+…+Aq+i}(i∈{B,C,…,Z})的两个新通用线性浓度规则,建立了与之相应的类理想溶液模型和类稀溶液模型。第一个线性浓度规则及相应的类理想溶液模型适用于B,C,…,Z之间交换能为零的体系,即:当A1,A2,…,Aq化学势恒定时,类理想溶液{A1+A2+…+Aq+B+C+…+Z}在B,C,…,Z的全部浓度范围内可以由其(q+1)元亚系{A1+A2+…+Aq+i}(i∈{B,C,…,Z})混合得到;第二个线性浓度规则及相应的类稀溶液模型适用于B,C,…,Z之间交换能不为零的体系,即:类稀溶液{A1+A2+…+Aq+B+C+…+Z}仅在贫j区(j∈{C,…,Z})可以由其实际(q+1)元亚系{A1+A2+…+Aq+B}和外推得到的各个假想态的(q+1)元亚系{A1+A2+…+Aq+j}(j∈{C,…,Z})混合得到。类理想溶液模型可以看作是类稀溶液模型在组元A1,A2,…,Aq化学势恒定下推广至全浓度范围的特例。就如同Raoult’s定律是Henry,s定律的极限情况一样,与类理想溶液模型相应的线性浓度规则是与类稀溶液模型相应的线性浓度规则的极限情况。在q=0最简单情况下,这两个模型分别简化为理想溶液模型和稀溶液模型。在q=1时,类理想溶液模型和类稀溶液模型分别等同于偏理想溶液模型和偏稀溶液模型。而检验类理想溶液模型及类稀溶液模型在q≥2时的适用性,需要两组元或更多组元活度恒定的实验数据。
等压法是测定溶液热力学性质的精确方法之一,前人主要用它测量二元和三元不饱和水溶液。本文将经过改进的等压技术,(1)成功应用于三元和四元不饱和混合轻稀土硝酸盐电解质水溶液体系及其他混合盐水溶液体系,进一步验证了偏理想溶液模型对这类体系的适用性;(2)成功应用于含有一种饱和电解质(或一种非电解质)及二种(或三种)不饱和电解质的四元混合电解质(或电解质与非电解质混合的五元)水溶液体系;(3)成功应用于含二种饱和电解质和二种不饱和非电解质的五元水溶液体系。并将上述等压实验结果与偏理想溶液模型及类理想溶液模型进行了比较,成功验证了这两个模型在上述类型的水溶液中的适用性。
以NaCl(aq)或CaCl2(aq)为参考物,本文系统地测定了298.15K时下列不饱和的多元混合轻稀土硝酸盐水溶液体系及另一种不饱和的多元混合电解质水溶液体系的等压平衡性质:{H2O(A1)+La(NO3)3(B)+Pr(NO3)3(C)}、{H2O(A1)+La(NO3)3(B)+Nd(NO3)3(D)}、{H2O(A1)+Pr(NO3)3(C)+Nd(NO3)3(D)}、{H2O(A1)+La(NO3)3(B)+Pr(NO3)3(C)+Nd(NO3)3(D)}和{H2O(A1)+KCl(B)+NH4Cl(C)}体系。等压平衡实验结果表明,在误差范围内,上述五种不饱和多元水溶液体系都符合偏理想溶液模型,遵循单一组元活度恒定的线性浓度规则。
经过改进的多元饱和水溶液的等压法将等压平衡与化学分析统一起来,允许灵活选择平衡时间,允许采用简洁的物理或化学分析方法分析组元。以确保溶质的溶解度和溶液水活度的实验值是由可靠的热力学平衡和精确化学分析确定的。多元饱和溶液的等压法可直接用于检验类理想溶液模型和类稀溶液模型对各类饱和溶液的适用性。测定的实验数据可以填补文献中部分溶质饱和多元溶液渗透系数值的空白,同时也为检验和进一步发展完善溶液的半经验的溶液模型提供了较全面的热力学信息。
本文系统地测定了298.15K时一种电解质饱和的混合电解质水溶液{H2O(A1)+KCl(sat)(A2)+NaCl(B)+NH4Cl(C)}和一种非电解质饱和的混合电解质水溶液{H2O(A1)+甘露醇(sat)(A2)+KCl(B)+NaCl(C)+NH4C1(D)}的等压平衡性质。实验结果表明,上述四元饱和溶液和五元饱和溶液在达到等压平衡时,在误差范围内符合类理想溶液模型,遵循二组元活度恒定的线性浓度规则。系统测定了298.15K时下列有二种电解质饱和的混合非电解质水溶液{H2O(A1)+NaCl(sat)(A2)+CdCl2(sat)(A3)+甘露醇(B)+山梨醇(C)}和{H2O(A1)+KCl(sat)(A2)+CdCl2(sat)(A3)+甘露醇(B)+山梨醇(C)}的等压平衡性质。实验结果表明,这两种五元饱和水溶液体系达到等压平衡时,在误差范围内都遵循三组元活度恒定的线性浓度规则,符合类理想溶液模型。
本文的等压研究结果证明,偏理想溶液模型对于多元不饱和混合电解质水溶液的等压平衡具有良好的预测功能;类理想溶液模型对于多元饱和水溶液的等压平衡具有良好的预测功能。对于多元不饱和水溶液,只要溶质之间相互交换能可以忽略,则溶质与溶剂之间的相互作用不影响体系的线性等压行为。对于多元饱和溶液,只要不饱和溶质之间相互交换能可以忽略,则饱和溶质之间的相互作用(如配位作用)、饱和溶质与溶剂之间的相互作用以及饱和溶质与非饱和溶质之间的相互作用都不影响体系的线性等压行为。