Основные понятия

Раздел 4. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

ЛЕКЦИЯ 9

Вещества могут находиться в различных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Фазой называется физически, химически и термодинамически однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной. Примеры гомогенных систем: смесь газов, жидкий раствор. В гетерогенной системе содержится две или несколько фаз, например, газ – жидкость, жидкость – твердое вещество. Если в системе находится несколько твердых веществ, то каждое из них представляет собой отдельную фазу.

Если вещество содержится одновременно в разных фазах, происходит его переход из одной фазы в другую, называемый фазовым переходом (испарение, плавление и т.д.). Состояние, при котором скорости противоположных фазовых переходов равны, называется фазовым равновесием.

Составными частями системы называются вещества, которые входят в состав системы, могут быть выделены из нее и существовать вне системы. Например, в водном растворе хлорида калия две составные части: вода и хлорид калия (хотя в растворе находятся отдельно ионы К⁺ и Cl^-).

Число независимых компонентов k - это минимальное количество веществ, необходимое для образования данной системы.

В тех случаях, когда между составными частями системы химическое взаимодействие отсутствует, число независимых компонентов равно числу составных частей. Например, для водного раствора хлоридов калия, натрия и бария как число составных частей, так и число независимых компонентов равно четырем. Если между составными частями системы имеет место химическое взаимодействие, то число независимых компонентов меньше числа составных частей. Например, система состоит из трех газов: азота, водорода и аммиака. Мы знаем, что в такой системе существует химическое равновесие:

N₂ + 3H₂ « 2NH₃

Для образования данной системы достаточно, например, взять азот и аммиак, т.е. число независимых компонентов равно двум (а число составных частей равно трем). В общем случае:

число независимых компонентов равно числу составных частей минус число математических уравнений, связывающих концентрации (или парциальные давления) реагентов.

В рассматриваемом примере таким математическим уравнением является:

Числом степеней свободы С называется число параметров (температура, давление, концентрация), которые можно менять произвольно (в определенных пределах), не изменяя числа фаз в системе.

Число степеней свободы можно рассчитать, пользуясь правилом фаз Гиббса:

С = k - f + n (4.1.)

В этом уравнении k - число независимых компонентов, f - число фаз, n - число внешних параметров, влияющих на состояние фазового равновесия. Такими внешними параметрами могут быть температура и давление. Если Р и Т - величины переменные, n= 2. При Р = const или Т=const, n = 1. Если и давление и температура постоянны, n = 0.

Пример. Система содержит насыщенный водный раствор глюкозы и сахарозы, кристаллы глюкозы и насыщенный водяной пар при постоянном давлении.

Рассчитаем число степеней свободы k = 3 (вода, глюкоза, сахароза); f = 3 (пар, раствор, кристаллы); n = 1 (Р = const). Тогда:

С = 3 - 3 + 1 = 1

Подробнее с понятием степеней свободы мы ознакомимся дальше.