 |
|
РІВНОВАГА В ОДНОКОМПОНЕНТНІЙ СИСТЕМІ
План.
1. Фазові переходи. Фазова рівновага. Правило фаз Гіббса. Однокомпонентні системи. Фазова діаграма води.
2. Загальна характеристика розчинів. Теплові ефекти при розчиненні. Гідратна теорія Д. І. Менделєєва.
3. Розчинність газів в рідинах. Закон Генрі. Взаємна розчинність рідин. Закон розподілу. Екстракція. Розчинність твердих речовин в рідинах.
4. Дифузія. Осмос. Осмотичний тиск. Закон Вант-Гоффа. Роль осмосу в біологічний процесах.
5. Тиск насиченої пари над розчином. Закон Рауля. Замерзання і кипіння розчинів.
1.
Всі системи, що існують в природі, поділяють на гомогенні та гетерогенні. Гомогенними називаються системи, які не мають внутрішніх поверхонь розділу. Вони однакові за своїм складом та властивостями. Гетерогенними називаються системи, які мають поверхні розділу, за якими стикаються однорідні частини, що відрізняються за своїм складом та якостям.
Дослідження гетерогенних систем проводять на основі термодинаміки, фізико-хімічного аналізу і правила фаз Гіббса (1800 роки) – він встановив, при яких умовах окремі однорідні ділянки гетерогенних систем (фази) знаходяться в стані термодинамічної рівноваги.
ФАЗОЮ називається сукупність гомогенних частин системи, що володіють однаковими термодинамічними властивостями (тобто властивостями, залежними від температури, тиску, концентрації та природи речовини) і відділених від інших частин системи видимими поверхнями розділу. Гомогенна система утворює одну фазу (наприклад, суміш газів, розчин декількох речовин в одній судині), а гетерогенна система може мати дві, три та більше фаз, наприклад: бензол – пари бензолу (2 фази), вода – лід - пара (3 фази), тощо.
При вивченні фазових рівноваг необхідно також визначати кількість компонентів. КОМПОНЕТ – це хімічно однорідна складова частина системи, яка при виділенні з системи існує в ізольованому вигляді як завгодно довго. В трифазній системі вода - лід – пара всього один компонент – вода. СКЛАДОВОЮ ЧАСТИНОЮ називається усяка проста речовина або хімічна сполука, що входить до системи. Тобто всі складові частини системи є незалежними одна від одної. В фізичних системах (тобто в системах, складові частини яких не реагують одна з одною) число незалежних компонентів дорівнює числу складових частин. В хімічних системах (тобто в тих, в яких складові частини реагують одна з одною) число незалежних компонентів дорівнює числу складових частин мінус кількість хімічних реакцій, що протікають в даній системі при даних умовах. Наприклад, система
СаСО3 = СаО + СО2
має три фази, три складові частини і два незалежних компонента (так як тут протікає одна хімічна реакція, 3 - 1 = 2). Отже, концентрацію будь-яких двох з трьох речовин, зв'язаних рівнянням, можна змінювати довільно. Концентрація третьої речовини – величина залежна, її визначають з рівняння реакції.
Щоб охарактеризувати стан рівноваги в тій чи інший гетерогенній системі, необхідно знати число ступенів свободи. Під ЧИСЛОМ СТУПЕНІВ СВОБОДИ розуміють умови (температура, тиск, концентрація), які можна довільно змінювати в системі без порушення стану рівноваги, тобто без зміни числа і вигляду фаз системи.
Число фаз, компонентів і ступенів свободи для випадку гетерогенної системи, що знаходиться в стані рівноваги, зв'язані між собою простим рівнянням, названим ПРАВИЛОМ ФАЗ ГІББСА:
Ф + С = К + 2
Звідси:
С = К + 2 – Ф,
де Ф – число фаз, К – число компонентів, С – число ступенів свободи. Визначимо число ступенів свободи для системи вода – лід – пара. Тут К = 1 (вода), Ф = 3 (рідка, тверда, газоподібна фази), а С = 1 + 2 – 3 = 1.
Таким чином, фазовими рівновагами (гетерогенними рівновагами) називаються стани, при яких процес переходу речовини з однієї фази до іншої не супроводжується зміною їх хімічного складу. Це випар, сублімація, плавлення, кристалізація, тощо. Тривале існування окремих фаз гетерогенних систем можливо лише за умови рівності величин пружності пари над різними формами.
Гетерогенні системи класифікують за:
1. числом компонентів (одно-, дво-, трьох- тощо -компонентні);
2. числом фаз (одно- дво-, трьох- тощо -фазні);
3. числу ступенів свободи (одно-(моно-), дво- (бі-), трьох- (три-) и т. д. – вариантні). Коли С = 0, то система називається без- (нон-) вариантною.
РІВНОВАГА В ОДНОКОМПОНЕНТНІЙ СИСТЕМІ
До однокомпонентних систем відноситься кожна чиста проста або складна речовина (сірка, залізо, вода, нітрат срібла тощо). На однокомпонентних системах зручно вивчати властивості речовин.
Проведемо аналіз однокомпонентної системи на прикладі води: задавши довільне значення числу фаз, визначимо число ступенів свободи. Правило фаз для однокомпонентної системи має вигляд: С = К + 2 – Ф = 1 + 2 – Ф = 3 – Ф
При Ф = 1 С = 3 – 1 = 2
При Ф = 2 С = 3 – 2 = 1
При Ф = 3 С = 3 - 3 = 0
При Ф = 4 С = 3 - 4 = - 1 – система не має фізичного змісту.
На основі проробленого аналізу, можна зробити висновки:
1. При одному компоненті більше 3 фаз знаходитись в рівновазі не можуть.
2.Найбільше число ступенів свободи в однокомпонентній системі дорівнює