陳飛武韋美菊 葉亞平 袁文霞

(北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 北京 100083)

稀溶液中化學(xué)勢(shì)的計(jì)算以及滲透壓公式的推導(dǎo)*

陳飛武**韋美菊 葉亞平 袁文霞

(北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 北京 100083)

將溶液中某組分化學(xué)勢(shì)的計(jì)算方式歸納為兩種：(1)利用氣液平衡時(shí)，溶液中某組分的化學(xué)勢(shì)和氣相中該組分的化學(xué)勢(shì)相等這一關(guān)系來(lái)計(jì)算；(2)利用溶液中某組分化學(xué)勢(shì)的全微分表達(dá)式直接積分來(lái)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，給出了滲透壓公式的一種新推導(dǎo)方式，并指出部分物理化學(xué)教材關(guān)于滲透壓定義(Π=p2-p1)的不合理性以及推導(dǎo)滲透壓時(shí)存在的不妥之處。

化學(xué)勢(shì) 滲透壓 溶液 化學(xué)勢(shì)

1 問(wèn)題的提出

稀溶液中溶劑的蒸氣壓下降、凝固點(diǎn)降低(析出固體純?nèi)軇?、沸點(diǎn)升高(溶質(zhì)不揮發(fā))和滲透現(xiàn)象是稀溶液的4個(gè)重要性質(zhì)，并只與溶液中溶質(zhì)的數(shù)量有關(guān)，而與溶質(zhì)本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，因此稱(chēng)之為稀溶液的依數(shù)性。范霍夫(van′t Hoff)首先發(fā)現(xiàn)了稀溶液的滲透現(xiàn)象，并提出了滲透壓公式。因?yàn)檫@一成就，范霍夫獲得了1901年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。

盡管對(duì)稀溶液的滲透現(xiàn)象和滲透壓的研究有著悠久的歷史，我們還是發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)部分物理化學(xué)教材對(duì)滲透壓的定義及其推導(dǎo)過(guò)程存在不妥之處。鑒于滲透壓在物理化學(xué)中的重要性，我們不揣冒昧在本文中將其指出來(lái)，希望引起讀者的重視和思考, 也希望有關(guān)教材再版時(shí)加以糾正。

下面將首先介紹溶液中化學(xué)勢(shì)的計(jì)算，接著是對(duì)滲透現(xiàn)象的分析和滲透壓公式的推導(dǎo)及詳細(xì)的討論。

2 溶液中的化學(xué)勢(shì)

對(duì)多組分溶液體系, 吉布斯自由能G不僅是溫度和壓力的函數(shù)，而且還是各組分物質(zhì)的量的函數(shù)。吉布斯自由能G的全微分形式如下[1-7]:

(1)

式中S、T、V和p分別表示體系的熵、溫度、體積和壓力。nB和μB分別表示組分B的物質(zhì)的量和化學(xué)勢(shì)。從式(1)可以推導(dǎo)出化學(xué)勢(shì)對(duì)溫度和壓力的偏導(dǎo)數(shù)有如下關(guān)系[1-3]:

(2)

式中SB,m和VB,m分別表示組分B的偏摩爾熵和偏摩爾體積。從式(2)得到化學(xué)勢(shì)的微分式：

dμB=-SB,mdT+VB,mdp

(3)

從式(3)可看出, 在保持溫度不變的情況下，如果組分B的偏摩爾體積大于0，則它的化學(xué)勢(shì)將隨著壓力的增加而增加。這一點(diǎn)在推導(dǎo)滲透壓時(shí)將用到。在多組分體系中，有了式(3)，處理問(wèn)題時(shí)就和單組分體系一樣。

在多組分溶液體系中，等溫下化學(xué)勢(shì)的計(jì)算方式有兩種：(a)利用氣液平衡時(shí)氣相中組分B的化學(xué)勢(shì)和溶液中該組分的化學(xué)勢(shì)相等，得到溶液中B組分的化學(xué)勢(shì)；(b)利用式(3)直接積分計(jì)算。下面分別加以討論。在某一溶液中，設(shè)氣相為理想氣體，B組分的分壓為pB，則溫度T時(shí)氣相中B組分的化學(xué)勢(shì)為：

(4)

(5)

式中μB(T,pB,aq)表示溶液中B組分的化學(xué)勢(shì)；aq是水溶液英文單詞的縮寫(xiě)，這里用以表示所有的溶液體系。假設(shè)溶液中B組分的蒸氣壓pB服從拉烏爾定律，即：

(6)

(7)

如果式(7)中xB等于1，則溶液變?yōu)榧兘M分B的液體，其化學(xué)勢(shì)可表示為：

(8)

式中l(wèi)表示純組分B的液體，以與溶液(aq)區(qū)別。比較式(7)和式(8)，μB(T,pB,aq)還可表示為：

(9)

由于溶液中組分B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)0

(10)

即:

(11)

從式(11)可看出，如果組分B的偏摩爾體積VB,m大于0，則組分B的化學(xué)勢(shì)隨著壓力的增加而增加，這與式(3)得出的結(jié)論是一致的。式(5)、式(7)、式(9)和式(11)都可以用來(lái)計(jì)算溶液中B組分的化學(xué)勢(shì)。如果溶液中B組分的蒸氣壓pB服從亨利定律，其化學(xué)勢(shì)的計(jì)算公式可采用上述方法得到。這里限于篇幅，不再贅述。

3 稀溶液的滲透壓

圖1是稀溶液中溶劑往溶液中滲透的示意圖。圖中溶液和溶劑之間有半透膜，半透膜不允許溶質(zhì)通過(guò)，只允許溶劑通過(guò)。但是，溶劑是從左邊往右邊滲透，還是從右邊往左邊滲透呢？這可以通過(guò)熱力學(xué)知識(shí)來(lái)分析。將圖1中左邊的溶劑和右邊的溶液看成一個(gè)體系，在等溫等壓情況下，式(1)可簡(jiǎn)化為：

(12)

由于半透膜不允許溶質(zhì)通過(guò)，式(12)中右邊只需要考慮溶劑的貢獻(xiàn)。這樣，式(12)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

(13)

(14)

從上面的討論可看出，為了阻止溶劑的滲透，必須增加溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)。從前面對(duì)式(3)和式(11)的討論中可以看出，如果溶液中溶劑的偏摩爾體積VA,m大于0，則溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)將隨著壓力的增加而增加。在稀溶液中，溶劑的偏摩爾體積是大于0的，因此，對(duì)溶液加壓將增加溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)。如果溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)等于純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢(shì)，則純?nèi)軇┩Ｖ瓜蛉芤簼B透；如果溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)大于純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢(shì)，則溶液中的溶劑將向純?nèi)軇B透。這種反滲透現(xiàn)象已用于海水淡化。

圖1 純?nèi)軇┫蛉芤簼B透示意圖

圖2 稀溶液滲透平衡示意圖

(15)

(16)

(17)

根據(jù)式(9)，溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)可表示如下:

(18)

式中xA表示溶液中溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。將式(18)代入式(17)，整理后得：

(19)

國(guó)內(nèi)部分物理化學(xué)教材將滲透壓定義為[4-7]：

Π′=p2-p1

(20)

從式(19)可看出，要推導(dǎo)出滲透壓的公式，不做近似是不可能的。要做的近似有如下兩個(gè)：

(21)

(22)

(23)

其中

Π=p2-pA

(24)

在式(23)的推導(dǎo)過(guò)程中，假定溶液的壓縮系數(shù)很小，VA,m近似為常數(shù)。式(23)就是物理化學(xué)教材中滲透壓的計(jì)算公式。滲透壓的定義式(式(24))有明確的物理意義。由于圖2右邊溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)比純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢(shì)低，因此，必須對(duì)溶液加壓以增加它的化學(xué)勢(shì)，當(dāng)壓力從其飽和蒸氣壓pA增至p2時(shí)，純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢(shì)和溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)相等，這時(shí)p2和pA之差稱(chēng)之為滲透壓。用式(23)和式(24)計(jì)算得到的滲透壓不僅是唯一的，而且是一致的。

國(guó)內(nèi)部分物理化學(xué)教材推導(dǎo)滲透壓公式通常采用下式[4,6-7]:

(25)

式(25)的問(wèn)題出在式右邊的積分下限p1。p2是圖2中右邊溶液承受的壓力，對(duì)溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)有直接影響；但p1卻是圖2中左邊純?nèi)軇┏惺艿膲毫Γ扰c溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)無(wú)關(guān)，也與溶液中溶劑的偏摩爾體積VA,m沒(méi)有任何直接的聯(lián)系。因此，將p1作為對(duì)VA,m積分的下限是錯(cuò)誤的。正確的積分下限應(yīng)是pA。故式(25)應(yīng)更改為：

(26)

式(26)右邊實(shí)際上就是在等溫時(shí)對(duì)式(3)積分的結(jié)果。式(26)的物理圖像很清楚，即為了增加溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)以達(dá)到滲透平衡，溶液承受的壓力從pA增到p2。對(duì)式(26)右邊進(jìn)行積分得到的結(jié)果與式(23)是一樣的。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明滲透壓的定義應(yīng)該是式(24)而不是式(20)。

4 結(jié)論

多組分體系中最重要的熱力學(xué)概念就是化學(xué)勢(shì)。有兩種計(jì)算化學(xué)勢(shì)的方式:一種是利用氣液平衡時(shí)氣液兩相中同一組分的化學(xué)勢(shì)相等這一關(guān)系來(lái)計(jì)算，由氣相中某組分的化學(xué)勢(shì)直接得到液相中該組分的化學(xué)勢(shì)；另一種方式，就是對(duì)化學(xué)勢(shì)的全微分形式積分來(lái)計(jì)算,利用吉布斯自由能可以解釋溶液中的滲透現(xiàn)象，利用化學(xué)勢(shì)可以推導(dǎo)出滲透壓的計(jì)算公式。在推導(dǎo)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)部分物理化學(xué)教材對(duì)滲透壓的定義不合理，沒(méi)有唯一性，且與用式(23)計(jì)算出來(lái)的滲透壓不一致。另外，這些教材有關(guān)滲透壓的推導(dǎo)過(guò)程也存在不合理的地方。鑒于滲透現(xiàn)象和滲透壓在物理化學(xué)教學(xué)中的重要性，我們?cè)诖藢⑦@些不當(dāng)之處指出來(lái)，以引起廣大教師和學(xué)生的重視和思考，也希望有關(guān)教材再版時(shí)加以糾正。

[1] 韓德剛,高執(zhí)棣,高盤(pán)良.物理化學(xué).第2版.北京:高等教育出版社,2009

[2] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué).北京:高等教育出版社,2010

[3] 王淑蘭,梁英教.物理化學(xué).第3版.北京:冶金工業(yè)出版社,2008

[4] 傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng),等.物理化學(xué).第5版.北京: 高等教育出版社,2009

[5] 印永嘉,奚正楷,張樹(shù)永.物理化學(xué)簡(jiǎn)明教程.北京:高等教育出版社,2007

[6] 朱傳征,褚蓉,徐海涵.物理化學(xué).北京:科學(xué)出版社,2008

[7] 柴炳新.基礎(chǔ)物理化學(xué).第5版.北京:科學(xué)出版社,2006

CalculationofChemicalPotentialinDiluteSolutionandDerivationoftheOsmoticPressureEquation*

Chen Feiwu* *Wei Meiju Ye Yaping Yuan Wenxia

(SchoolofChemistryandBiologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

There are two ways to calculate the chemical potential of a component in solution. One is that, in the gas-liquid phase equilibrium, the chemical potential of a component in solution is equal to its corresponding chemical potential in the gas phase; thus, the chemical potential of the component in solution can be easily obtained through the gas-liquid equilibrium once its chemical potential in gas phase is known. Another way is to integrate directly the total differential of the chemical potential of the component in solution. Based on this, a new way to derive the osmotic pressure equation is presented in this article. It is also pointed out that the definitions about the osmotic pressure in some domestic physical chemistry textbooks are not reasonable and the derivation of the osmotic pressure equation is not valid.

Chemical potential; Osmotic pressure; Solution; Chemical potential

10.3866/pku.DXHX20150463

*北京科技大學(xué)研究型示范教學(xué)項(xiàng)目；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(Nos.JG2011Z09,JG2013M41)

**通信聯(lián)系人，E-mail:chenfeiwu@ustb.edu.cn

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