Лекция 8 ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ РАСТВОРАХ

 

Вещества, входящие в термодинамическую систему могут находиться в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом, образуя одну или несколько фаз. Фазойназывают - часть гетерогенной системы, ограниченной поверхностью раздела и характеризующейся (в отсутствие внешнего поля сил) одинаковыми химическими, физическими и термодинамическими свойствами во всех своих точках. Систему, состоящую из нескольких фаз, называют гетерогенной, а равновесие, устанавливающееся в такой системе - гетерогенным или фазовым. При классификации систем принято разделять их по числу фаз на однофазные, двухфазные, трехфазные и т д.

Система может состоять из одного или нескольких компонентов. По числу независимых компонентов системы разделяют - на однокомпонентные, двухкомпонентные, или двойные, трехкомпонентные или тройные. Компонентомназывают индивидуальное химическое вещество, которое является составной частью системы, может быть выделено из нее, и существовать самостоятельно. Фазовое равновесие в гетерогенной системе характеризуется определенными условиями: равенством температур во всех фазах системы, равенством давлений и химических потенциалов каждого компонента во всех фазах:

Т¹ = Т² =…Т^ф (термическое условие равновесия)

Р¹ =Р² =…Р^ф (механическое условие равновесия)

μ¹ =μ² =μ^ф (химическое условие равновесия).

К фазовым относятся равновесия в процессах испарения, плавления конденсации.

Качественная характеристика гетерогенных многофазных систем, в которых совершаются процессы перехода компонентов из одной фазы в другую, определяется правилом фаз Гиббса. Это правило основано на втором законе термодинамики и относится к системам, находящимся в состоянии равновесия (система в состоянии равновесия не изменяется во времени как угодно долго, если сохраняются постоянными внешние условия).

Вариантность системы характеризуетсячислом степеней свободы, т е числом независимых переменных (давление, температура и концентрация компонентов), которые можно произвольно изменять в некоторых пределах, так, чтобы число равновесных фаз в системе оставалось неизменным. По этому признаку системы делят на инвариантные (С=0), моновариантные (С=1), дивариантные (С=2), …., поливариантные.

Это правило устанавливает соотношение между числом фаз, числом компонентов и числом степеней свободы.

С = К – Ф + 2 (52)

К- компонент системы,

Ф- число фаз,

С- число степеней свободы

2- число независимых компонентов (Т и Р).

Правило фаз показывает, что число степеней свободы возрастает с увеличением числа компонентов и уменьшается с увеличением числа фаз системы.

Диаграмма, выражающая зависимость состояния системы фазового равновесия в ней от внешних условий или состава системы, называется диаграммой состояния или фазовой диаграммой. Диаграммы строятся по соответствующим опытным данным и широко применяются для характеристики различных систем.

Для определения равновесия между кристаллическими веществами и жидкой фазой существует несколько физико-химических методов. Наиболее распространен термический анализ. Простая разновидность этого метода анализа основана на визуальном наблюдении за раствором. Изменяя температуру раствора известной концентрации, устанавливают температуру, при которой появляются кристаллы, и температуру при которой они исчезают. Применяется этот метод для систем из прозрачных компонентов при температурах не слишком высоких и не слишком низких.

По кривым охлаждения можно построить диаграмму состояния, представляющую собой графическое изображение зависимости изменения температуры от состава системы.

Правило фаз является критерием равновесного состояния систем и помогает в решении ряда производственных задач.