Industrial Oilfield Chemistry Short Course

Report 7 Downloads 370 Views
Two-Day ACPA Short Course in

Scaling Chemistry         Wednesday and Thursday November 2 and 3, 2011         Edmonton Hotel & Convention Centre   4520 – 76 Avenue   Edmonton, Alberta 

     

      About the ACPA    Chemistry touches and interacts with every part of our lives. Everything from  pharmaceuticals, clothing, plastic, petroleum to the food you eat has probably been  created, checked or modified by a chemist. Chemists also play crucial roles in  environmental monitoring and remediation, helping to protect your health and safety  by ensuring the quality of the water you drink and the purity of the air you breathe.    For those reasons and many more, the practice of chemistry is regulated by the Province  of Alberta through the Association of the Chemical Profession of Alberta (ACPA). Only  chemists who are registered members of the ACPA may use the titles P.Chem.  (Professional Chemist) or C.I.T. (Chemist in Training) as appropriate. These titles provide  immediate assurance to government, industry and the public that specific levels of  education and experience have been met.    The objectives of the ACPA are the following:  ●  To ensure that our members meet the high standards of professional competence  and ethics needed for protection of industry and the public;  ●  To increase the knowledge, skills and proficiency of our members in all things  relating to chemistry;  ●  To foster greater general interest in chemistry and a better understanding of the  chemical profession by industry and the public at large; and  ●  To provide a recognized voice for professional chemists in Alberta.    The ACPA is one of only six professional organizations whose members are permitted to  sign off on environmental reports or sites for closure in Alberta.    For more information about the ACPA, please see our website at www.pchem.ca.        Copyright Notice    All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any form, print or  electronic, for the purposes of resale without the prior written permission of either the  author involved or the copyright holder noted on the slide.   

ACPA 2011 Short Course

A2

Scaling Chemistry (Edmonton)

Celebrating the International Year of Chemistry    The International Year of Chemistry 2011 (IYC 2011) is a  worldwide celebration of achievements in chemistry and its  contributions to the well‐being of humankind. Under the  unifying theme “Chemistry — Our Life, Our Future,” IYC 2011  will offer a range of interactive, entertaining and educational  activities for all ages. The International Year of Chemistry is  intended to reach across the globe, with opportunities for  public participation at the local, regional and national level.     The year 2011 will coincide with the 100th anniversary of the Nobel Prize awarded to  Madame Marie Curie — an opportunity to celebrate the contributions of women to  science.     The year will also be the 100th anniversary of the founding of the International  Association of Chemical Societies, which was succeeded by IUPAC a few years later,  providing a chance to highlight the benefits of international scientific collaboration.     The goals of IYC 2011 are the following:  ●  To increase the public appreciation of chemistry in meeting world needs;  ●  To encourage interest in chemistry among young people;  ●  To generate enthusiasm for the creative future of chemistry; and  ●  To help enhance international cooperation by serving as a focal point or information  source for activities by national chemical societies, educational institutions, industry,  and governmental and non‐governmental organizations.    IYC 2011 events will emphasize that chemistry is a creative science essential for  sustainability and improvements to our way of life. Activities such as lectures, exhibits,  and hands‐on experiments will explore how chemical research is critical for solving our  most vexing global problems of food, water, health, energy, transportation and more.    The Chemical Institute of Canada (CIC) has taken the lead to bring together chemistry  professionals to spread the IYC message. It has helped to create a Canada‐wide  organizing committee that is working with science outreach organizations, science  centers, museums, government agencies and trade associations to promote IYC and its  activities.     For more information, please see the IYC 2011 website at www.iyc2011.ca.    (Adapted from International Year of Chemistry 2011: A Canadian Celebration of Chemistry (Overview) at  http://www.iyc2011.ca/index.php?ci_id=2283&la_id=1.) 

ACPA 2011 Short Course

A3

Scaling Chemistry (Edmonton)

 

Program Contents    Course Schedule ........................................................................................................ A5    Speaker Biographies .................................................................................................. A6      Summaries and Slides for Day 1 ................................................................................. A9    1.  Scaling Chemistry and Theory of Saturation Indices ...................................... A10    Maurice Shevalier, University of Calgary    2.  Kinetics of Nucleation (Precipitation) ............................................................ A29    Maurice Shevalier, University of Calgary    3.  Criteria for Determining Good Water Analysis ............................................... A42    Maurice Shevalier, University of Calgary    4.  Basics of Geochemical Programs: SOLMINEQ88 and PHREEQC1 .................... A53    Maurice Shevalier, University of Calgary      Summaries and Slides for Day 2 .................................................................................. B1    5.  Quality of Thermodynamic Databases ............................................................. B2    Maurice Shevalier, University of Calgary    6.  Chemical Analysis of Scales ........................................................................... B14    Ken Schmidt (Wilson Analytical) and Neil Warrender (Sanjel Corp.)    7.  Dissolution of Scales ...................................................................................... B47    Tom McCartney (Clean Harbors)    8.  Chemistry of Scale Inhibitors ......................................................................... B83    Tom Ignacz (Baker Hughes [Petrolite])  

ACPA 2011 Short Course

A4

Scaling Chemistry (Edmonton)

         

Two‐Day ACPA Short Course in Scaling Chemistry  Wednesday and Thursday, November 2 and 3, 2011   

Course Schedule    Day 1   08:00–08:25  Registration and continental breakfast 08:25–08:30  Welcome and introductions 08:30–10:00  1. Scaling Chemistry and Theory of Saturation Indices — Maurice Shevalier  (U. of Calgary)  10:00–10:30    Coffee  10:30–12:00   2. Kinetics of Nucleation (Precipitation) — Maurice Shevalier (U. of Calgary)  12:00–13:00    Lunch  13:00–14:30   3. Criteria for Determining Good Water Analysis — Maurice Shevalier (U. of Calgary) 14:30–15:00    Coffee  15:00–16:30   4. Basics of Geochemical Programs: SOLMINEQ88 and PHREEQC1 — Maurice Shevalier  (U. of Calgary)   

 

Day 2  

 

08:00–08:25  Registration and continental breakfast 08:25–08:30  Welcome and introductions 08:30–10:00  5. Quality of Thermodynamic Databases — Maurice Shevalier (U. of Calgary)  10:00–10:30    Coffee  10:30‐12:00   6. Chemical Analysis of Scales — Ken Schmidt (Wilson Analytical) and Neil Warrender  (Sanjel Corp.)  12:00–13:00    Lunch  13:00–14:30   7. Dissolution of Scales — Tom McCartney (Clean Harbors) 14:30–15:00    Coffee  15:00–16:30   8. Chemistry of Scale Inhibitors — Tom Ignacz (Baker Hughes [Petrolite]) 

 

ACPA 2011 Short Course

A5

Scaling Chemistry (Edmonton)

Two‐Day ACPA Short Course in Scaling Chemistry  November 2 and 3, 2011   

Speaker Biographies   

Maurice Shevalier, P.Chem.    Maurice is a Research Scientist and Project Manager for the Applied Geochemistry  Group in the Department of Geoscience at the University of Calgary. He graduated with  B.Sc. in Chemistry from the University of Calgary in 1982, adding an M.Sc. in  Electrochemistry in 1985 and an M.Sc. in Physics specializing in Computer Modeling in  1992. In 1985, he secured a Research Assistant position in the Diagenesis Research  Group in the Department of Geology and Geophysics at the U of C. His responsibilities  included sampling and chemical analysis of oilfield brines as well as ground and surficial  waters. Maurice was later promoted to Research Scientist when his duties shifted more  to computer modeling. He has been involved in various types of geochemical computer  modeling for the past 20 years.    Current projects include the International Energy Agency Green House Gas Weyburn  CO2 Monitoring and Storage Project, a long‐term project looking at CO2 sequestration in  a depleted carbonate oil reservoir. Maurice is also involved in the PennWest CO2  Enhanced Oil Recovery Pilot project, as well as coal bed methane, environmental, and  heavy oil projects involving water and gas sampling, analysis, and geochemical computer  modeling.    Maurice Shevalier, P.Chem.  Applied Geochemistry Group  Dept. of Geoscience, University of Calgary  Calgary, AB  T2N 1N4 

Tel: 403‐220‐7873  Fax: 403‐220‐8514  E‐mail: [email protected]   

   

ACPA 2011 Short Course

A6

Scaling Chemistry (Edmonton)

 

Ken Schmidt, Ph.D., P. Chem.    Ken Schmidt is a professional chemist working out of Fort Saskatchewan, AB. He is the  president of Wilson Analytical Services Inc., a chemical analysis and field  instrumentation company serving the oil and gas industry. He has over twenty years of  R&D and management experience in industry in Alberta working in areas such as  ceramics, coatings, sulphur chemistry, spectroscopy, chemical analysis, and the design  of analytical instrumentation.    Ken holds a Ph.D. in inorganic chemistry from the University of Calgary and a combined  Honours BSc in chemistry and biochemistry from McMaster University. He served for  seven years on the board of the Association of the Chemical Profession of Alberta, and is  currently the Industrial Liaison Director on the Canadian Society for Chemistry board. He  been on the board of the Calgary or Edmonton CIC Local Sections since 1986, and served  as the Chair of the Edmonton Section in 2004 and again in 2009.    He is the author or co‐author of over 50 scientific publications and presentations, and  has co‐organized (and occasionally presented at) nearly 30 technical workshops or short  courses. Over the years, he has also been involved in many outreach activities aimed at  highlighting the wonders of chemistry to students and the general public.    Ken Schmidt, Ph.D., P.Chem.   Wilson Analytical Services Inc.  #2075, 61 Broadway Boulevard  Sherwood Park, AB  T8H 2C1     

Tel: 780‐702‐0610  Toll‐Free: 1‐866‐3wilson (394‐5766)  Fax: 780‐998‐5327  E‐mail: [email protected]  Web: www.wilsonanalytical.com 

 

Neil Warrender, Ph.D., P.Chem.    Neil holds a Ph.D. in Physical Chemistry and is a registered Professional Chemist  (P.Chem.) in the Province of Alberta. Neil has been lost in the tortured maze of oilfield  chemistry for almost twenty years, seeking chemical solutions for various oilfield service  companies along the way. He is currently leading the technical team at Sanjel  Corporation to the promised land of innovative technology and environmental  friendliness.    Neil’s Ph.D. is in X‐ray diffraction, a technique that he has applied to a wide variety of  projects and problems—especially the debris associated with corrosion failures and  related issues. Such insight as he has managed to glean from these deliberations he will  be delighted to share with participants of this ACPA short course.    Neil Warrender, Ph.D., P.Chem.  Sanjel Corporation  Sanjel Professional Park, 10774 ‐ 42 Street SE  Calgary, AB  T2C 0L5  ACPA 2011 Short Course

Tel: 403‐723‐6060  Cell: 403‐479‐1670  E‐mail: [email protected] 

A7

Scaling Chemistry (Edmonton)

 

Tom McCartney, P.Chem.    Tom McCartney graduated with a B.Sc. in Honours Chemistry from the University of  Alberta in 1978. After a couple of years working in the oil field and industrial services  industry, Tom returned to study for a masters degree in metallurgical engineering,  returning to industry in 1982. For the subsequent 28 years, Tom has worked in the  research and development of chemical solutions for removing or preventing deposits.  His experience in chemical and industrial cleaning has been in a wide range of  industries, from refineries and power plants to chemical process systems and pulp and  paper. In 1998, Tom became Chief Chemist for Woodrising Resources, a supplier of  chemistry and consulting services for the industrial cleaning industry. There he  successfully developed or invented processes and systems to dissolve or remove  deposits ranging from complex organic mixtures to iron polysulfides. He also worked on  developing processes to use in the new field of ultrasonic chemical cleaning while  continuing to support previous inventions. In 2011, Tom accepted a new position as  Technical Services Manager for the Paratene Products Group at Clean Harbors (Calgary).    Tom McCartney, B.Sc., P.Chem.  Clean Harbors Energy and Industrial Services Corp.  #2, 321 ‐ 37th Avenue NE  Calgary, AB  T2E 6P6     

Tel: 403‐216‐2131  Fax: 403‐216‐2132  E‐mail: [email protected]  Web: www.paratene.com        and www.cleanharbors.com 

 

Thomas (Tom) Ignacz, Technical Account Executive    Tom graduated from Concordia University (Montreal) with a M.Sc. in Chemistry in 1978.  He entered the oil and gas industry in 1980 as a research chemist developing corrosion  inhibitors for petroleum production and industrial cleaning. Over the next eight years,  he progressed to a Technical Services Representative providing technical support to field  personnel, including total system analysis, trouble‐shooting, product development,  program recommendations, and customer presentations. In subsequent roles as a  Technical Manager at production chemical companies, Tom was responsible for all  aspects of technical issues, including analytical services laboratory, research and  development, regulatory concerns, product stewardship, and training. He provided  these services not only in the domestic market but also in the oilfields of Ecuador and  Mexico. In his present role at Baker Hughes [Petrolite], Tom supports special projects  and directs product development on paraffin and asphaltene control chemicals.    Tom Ignacz, Technical Account Executive  Baker Hughes [Petrolite]  2323 – 91 Avenue  Edmonton, AB  T6P 1L1     

ACPA 2011 Short Course

Tel: 780‐416‐6440  Fax: 780‐416‐1824  Cell: 780‐242‐1047  E‐mail: [email protected]  Web: www.bakerhughes.com 

A8

Scaling Chemistry (Edmonton)

Two‐Day ACPA Short Course in Scaling Chemistry  November 2 and 3, 2011   

Summaries and Slides for Day 1    1.      2.      3.      4.     

Scaling Chemistry and Theory of Saturation Indices ...................................... A10  Maurice Shevalier, University of Calgary  Kinetics of Nucleation (Precipitation) ............................................................ A29  Maurice Shevalier, University of Calgary  Criteria for Determining Good Water Analysis ............................................... A42  Maurice Shevalier, University of Calgary  Basics of Geochemical Programs: SOLMINEQ88 and PHREEQC1 .................... A53  Maurice Shevalier, University of Calgary 

ACPA 2011 Short Course

A9

Scaling Chemistry (Edmonton)

Two‐Day ACPA Short Course in Scaling Chemistry  November 2 and 3, 2011    Day 1, 08:30–10:00   

1.  Scaling Chemistry and Theory of Saturation Indices      — Maurice Shevalier (University of Calgary)    The saturation index shows whether a solution will tend to dissolve or precipitate a  particular mineral. In this session, participants will learn how saturation indices can be  calculated for dilute solutions using the Debye‐Hückel theory. The use of the B‐dot and  Pitzer equations for more concentrated solutions will also be reviewed. Based on these  theories, the activity coefficients of the various ions present in a solution can be  calculated and the saturation indexes of minerals can be determined.      ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

ACPA 2011 Short Course

A10

Scaling Chemistry (Edmonton)

Scaling Chemistry  Maurice Shevalier, P.Chem. Department of Geoscience University of Calgary [email protected] (403)220‐7873

Scaling Chemistry

Who am I?  Why are you up front? • Maurice Shevalier – MSc in Physical Chemistry & Physics (Computer  Modeling) – 25 years in Dept 25 years in Dept of Geoscience, University of  of Geoscience University of Calgary – 25 years sampling, analyzing and modeling waters – Past 10+ years involved in CCS projects: sampling  and modeling

Scaling Chemistry

Why are we here?

To hopefully prevent this from forming! Scale in a separator Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A11

Scaling Chemistry (Edmonton)

How are we going to do this? • Going back to basics! – Detailed review of the theory

Scaling Chemistry

Why do this? • To prevent the ‘black box’ syndrome – Where you use a model without an understanding  of the theory used in writing a program • Understanding of the theory helps you make better  predictions from the model 

Scaling Chemistry

Introduction • What is scale? – Scale is the precipitation (usually minerals) deposited on  surfaces due to changes in water chemistry – Changes can be caused by mixing of waters, changes in  temperature, pressure etc. p ,p – Scale interferes with heat exchangers, restricts flows in  pipes

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A12

Scaling Chemistry (Edmonton)

Introduction (cont.) • What are the most common INORGANIC  scales? – Calcium carbonate • CaCO3 (calcite, aragonite) (calcite aragonite)

– Calcium/barium sulphate: • CaSO4 (anhydrite) • CaSO4•2H2O (gypsum) • BaSO4 (barite)

Scaling Chemistry

Introduction (cont.) • What factors control scale formation? – Changes in water chemistry caused by MIXING  (either different formation waters or formation  waters and process fluids) usually by INJECTION or  p ) y y processing at the surface – Changes in physical conditions (pressure,  temperature) usually due to production  

Scaling Chemistry

Introduction (cont.) • Not all scales behave as expected! • Calcium sulphate minerals exhibit retrograde  solubility, i.e. solubility decreases as  temperature increases! temperature increases!  • Drops in pressure will also  decrease solubility. • Calcium carbonate solubility decreases as  temperature increases and pressure decreases

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A13

Scaling Chemistry (Edmonton)

Calcium sulfate solubility as a function of temperature and pressure (Source: Blount and Dickson 1973).

Scaling Chemistry

Calcium carbonate solubility as a function of temperature and pressure  (Source: Duan and Li 2008).

Scaling Chemistry

References • Blount, C.W., and Dickson, F.W. (1973), Gypsum‐anhydrite equilibria in systems CaSO4‐H2O and CaSO4‐NaCl‐H2O, Amer. Mineral. 58, pp.  323–331. • Duan, Z., and Li, D. (2008). Coupled phase and aqueous species  ( ) p p q p equilibrium of the H2O–CO2–NaCl–CaCO3 system from 0 to 250ºC, 1  to 1000 bars with NaCl concentrations up to saturation of halite.  Geochim. Cosmochim. Acta, 72 (20): 5128‐5145.

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A14

Scaling Chemistry (Edmonton)

Theory of Saturation Indices

Scaling Chemistry

Activities of Ions • Thermodynamic properties of ions depend on  chemical potential  μi • Ideally, chemical potential would be related to  molality mi by: μi = μio + RT ln(mi/mo)

(1)

• Chemical potential of a real solution can be  written in a similar way: μi = μio + RT ln ai

(2) Scaling Chemistry

Activity of Ions • We have defined activity and the molarity by  the following: ai = γimi/mo

(3)

• Activity and molality are related by the activity  coefficient γi • What is γi and how does it relate to …?

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A15

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • Consider a compound composed of a  monovalent anion (μ−) and cation (μ+), then  the total chemical potential of the electrically  neutral solution is neutral solution is μ+ + μ−= μ+o +μ-o + RT ln a+ + RT ln a- (4) = μ+o + μ-o + RT ln(m+/mo) + RT ln(m-/mo) + RT lnγ+γ‐ (5)

Scaling Chemistry

Activity of Ions • It is almost impossible to separate the product  γ+γ− into anion and cation components • Define ‘mean ionic activity coefficient’ as γ± = (γ+γ‐)1/2

(6)

When the salt is MpXq, then  γ± = (γ+pγ‐q)1/n

(7)

where   n = p + q Scaling Chemistry

Activity of Ions • For an ideal case, the energy of interaction of two  uncharged molecules falls off as r−6 but  Coulombic interaction between two charged ions  falls off as r−1. • Opposite charged ions attract each other but  cations tend to be near anions, so there is an  abundance of the counter ion around a given ion. • On average, more counter ions pass a given ion  and the time‐averaged haze of opposite charged  ions creates the ionic atmosphere of the ion. Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A16

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • The departure from an ideal solution is due to the  electrostatic interactions • Consider solution where the electrostatic  interactions have been turned off and ions interactions have been turned off and ions  maintain their positions • The difference in the chemical potentials is a  difference in the molar Gibbs function, ΔG,  between the uncharged and charged state, which  represents the work done on charging the system  Scaling Chemistry

Activity of Ions • The chemical potential of an ideal dilute solution  is μo(mi) and activity coefficient of the true  solution is:  μ(mi) = μo(mi) + RT ln γ± (8) or ln γ± = (1/RT) {μ(mi) ‐ μo(mi)} (9) or ln γ± = (we/RT) (10) So… what is we? Scaling Chemistry

Activity of Ions • The Coulombic potential at a distance r from  an ion of charge zie in a vacuum is: ϕ(r) = (zie/4πεo)(1/r)

(11)

• In In a solution the solvent decreases the  a solution the solvent decreases the strength  of the field and ϕ(r) = (zie/4πε)(1/r)

(12)

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A17

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • In an ionic atmosphere, the central charge is  shielded, and the potential is the shielded  Coulomb potential where 1/r → (1/r)exp(‐r/rD) 

(13)

ϕ(r) = (zie/4πε)(1/r)exp(‐r/rD)

(14)

So where rD is the unknown parameter. Scaling Chemistry

Activity of Ions • In a spherically symmetrical charge  distribution, charge density at distance r is       ρi(r), the potential depends only on the radius,  so the following simplification is possible: so the following simplification is possible: (1/r2)(d/dr)(r2dϕi/dr) = ‐ρi(r)/ε resulting in ϕi(r)/rD2= ‐ρi(r)/ε

(15) (16)

Scaling Chemistry

Activity of Ions • To solve equation (16) for rD we need to know charge  density, ρi(r) • Charge density at point r is due to competition  between electrostatic attractive forces of central ion  for its counter ions and disruptive effects of thermal  agitation it ti • Energy of interaction of ion of charge zje with central  ion of charge zie separated by a distance r is  ΔE = zjeϕi(r)

(17)

where ϕi(r) = potential generated by the ion i Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A18

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • Boltzmann distribution gives proportion of  ions with this energy at temperature T as       Nj(r)/Noj = number of ions of type j per unit vol with potential = ϕi(r) number of ion of of type j per unit vol with potential  number of ion of of type j per unit vol with potential = 0 0

= exp(‐ΔE/kT)  = exp (‐zjeϕi(r)/kT)

(18)

Scaling Chemistry

Activity of Ions • Charge density at a distance r from ion I is the  concentration of ions of each type multiplied  by charge of each ion: ρi(r) = N (r) = N+(r)z+e + N + N‐(r)z‐e o = N +z+e exp(‐z+eϕi(r)/kT)  + No‐z‐e exp(‐z‐eϕi(r)/kT) (19)

Scaling Chemistry

Activity of Ions • Consider the electrostatic interaction energy  to be small compared with kT. If this were not  the case, the attraction of the ions would  overcome the scattering influence of the overcome the scattering influence of the  thermal motion and the ions would condense  into a crystal lattice • Thus, exp(x) ≈ 1 + x + h.o.t.

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A19

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • Thus (19) can be rewritten as ρi(r) = (No+z+ + No‐z‐)e – {(No+z+2 + No‐z‐2)e2ϕi(r)}/kT + ... The first term on the right hand side of the equation  is zero since it is a concentration of charge and the  solution is electrically neutral: ρi(r) = – {(No+z+2 + No‐z‐2)e2ϕi(r)}/kT

(20)

Scaling Chemistry

Activity of Ions • (No+z+2 + No‐z‐2) can be simplified by expressing  number concentrations (Noj) in terms of  molalities: Noj = m = mjLρ (21) where L = Avogadro’s number  mj = amount per unit mass ρ = solvent density and  I = ½Σj mjzj2 = ionic strength Scaling Chemistry

Activity of Ions • The charge density in the vicinity of i is now ρi(r) = –(2ρe2LI/kT)ϕi(r)

(22)

and rD is

rD2 = εRT/2ρL2e2I                  (23)

Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A20

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions • We started by trying to determine the activity  coefficient and we are not quite there yet! • We started by considering the electrical work  of charging a central ion when it is surrounded  g g by an ionic atmosphere • We need to know the potential at the ion  arising from the atmosphere, ϕatmos, which is  the difference between the total potential (14)  and the central ion potential Scaling Chemistry

Activity of Ions 4 ϕatmos(r) = ϕi(r) – ϕcentral ion(r)  = {(zie/4πε)/r}[exp(‐r/rD) – 1]    (24) • Consider the potential at the ion of interest  ((r = 0), then limit r→0 is ), ϕatmos(0) = ‐(zie/4πε)(1/rD)                         (25) • Also, consider the central charge to be q not ze.  Then the work involved in adding a charge dq to a  region with a potential of  ϕatmos(0) is  dwe = ϕatmos(0) dq (26) Scaling Chemistry

Activity of Ions we = L∫0zie ϕatmos(0) dq = ‐zi2e2L/8πεrD        (27) • Recalling (10), ln γ± = (we/RT), we have the  following: ln γ± = ‐(zi2e2L)/(8πεrDRT)

(28)

• Substituting (23) into (28) (and assuming the  general formula for ionic salt is MpXq) gives the  following for ln γ±: Scaling Chemistry

ACPA 2011 Short Course

A21

Scaling Chemistry (Edmonton)

Activity of Ions ln γ± = ‐|z+z‐|(Le2/8πεrDRT)

(29)

• Substituting (23) into (29) yields (30) after  converting to log from ln: log γ± = ‐A|z+z‐|(I)½

Debye‐Hückel Limiting Law  (30)

• Above equation, although important, is only  useful for very low concentration data, I  SI > −0.3:  equilibrium, no  dissolution or precipitation p p SI