Aktivitätskoeffizienten

Aktivitätskoeffizient, symbol γ_i, ist ein Faktor, der das Abweichen eines Stoffes i vom idealen Mischungsverhalten in einer Lösung beschreibt. In der Regel wird die Aktivität a_i mit der Mole fraction x_i durch a_i = γ_i x_i verknüpft. Für ideale Lösungen gilt γ_i = 1 und a_i = x_i. In der Thermodynamik erscheint die chemische Potenz μ_i = μ_i^0 + RT ln a_i, sodass γ_i direkte Informationen über das Ausmaß der Nicht-Idealisierung liefert.

Physikalisch entstehen Aktivitätskoeffizienten durch intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Teilchen, etwa Solute–Solvent- oder Solvent–Solvent-Wechselwirkungen und elektrostatische Effekte. Sie hängen stark von Temperatur, Druck und der Zusammensetzung der Lösung ab und können sowohl größer als auch kleiner als 1 sein. In Elektrolytlösungen treten besonders starke Abweichungen auf, weshalb hier oft spezialisierte Modelle eingesetzt werden.

Bezug zu Gibbs-Energie und Gleichgewicht: Die Gibbs-Überschussenergie G^E der Lösung hängt eng mit γ_i zusammen, zum Beispiel gilt G^E = RT Σ x_i ln γ_i. Das logarithmische Verhältnis ln γ_i lässt sich aus den partiellen Ableitungen der Überschussgröße ableiten. Praktisch werden Aktivitätskoeffizienten verwendet, um Phasen-Gleichgewichte zu korrelieren und zu prognostizieren, insbesondere bei Verdampfungs- und Extraktionsprozessen.

Modelle und Messung: γ_i werden oft durch Aktivitätskoeffizienten-Modelle wie NRTL, UNIQUAC, Wilson oder Margules beschrieben, basierend auf experimentellen Daten aus VLE, Dichte, Osmose oder Grenzschichtmessungen. Der Grenzwert bei unendlicher Verdünnung γ_i^∞ dient zur Charakterisierung reiner Lösungseigenschaften.

Anwendungsgebiete: Design und Optimierung von Trennprozessen, Auslegung von Destillation, Extraktion und Solvenzwahl, sowie die Bewertung von Stoffsystemen in der chemischen und Verfahrenstechnik.