Фазовое равновесие. Катализ, Фазовое равновесие. Правило фаз. Диаграмма состояния однокомпонентной системы - Систематика химических элементов
Фазовое равновесие. Правило фаз. Диаграмма состояния однокомпонентной системы
Гетерогенные равновесия, связанные с переходом веществ из одной фазы в другую без изменения химического состава, называются Фазовыми. К их числу можно отнести равновесия в процессах испарения, плавления, конденсации и т. п. Фазовые равновесия, так же, как и химические, характеризуются минимальным значением энергии Гиббса системы и равенством скоростей прямого и обратного процессов.
Для фазовых равновесий справедлив принцип Ле Шателье. В системе лед-вода равновесие можно сместить вправо (в сторону плавления льда), повышая температуру, т. к. переход Н2O(к) --> Н2O(ж) сопровождается поглощением энергии (Н>0).
При анализе гетерогенных равновесий необходима оценка возможного числа равновесно сосуществующих фаз и числа параметров системы, которые можно произвольно изменять, не нарушая равновесия в ней.
Число параметров состояний, способных произвольно меняться без нарушения фазового равновесия, называется Числом степеней свободы или Вариантностью системы.
Гиббс (1876) вывел закон, определяющий вариантность гетерогенной системы.
Пусть система состоит из k компонентов и содержит г фаз. Состояние системы полностью определено, если известны Т, р и состав каждой фазы (концентрации всех компонентов). Для k-компонентной r-фазной системы вариантность или число ее степеней свободы f равно:
F=k-r+2. (40)
Эта закономерность является основным законом фазового равновесия. Из него следует, что число степеней свободы увеличивается с увеличением числа компонентов и уменьшается при росте числа фаз.
Значения f<0 не имеют физического смысла, следовательно, r <k+2, т. е. число фаз, сосуществующих в равновесии, не может превосходить числа независимых компонентов более чем на 2.
Формула (40) является математическим выражением Правила фаз.
Цифра "2" в уравнениях Гиббса появилась вследствие принятого допущения о том, что на состояние системы оказывают влияние только два параметра Т и р. Для многих конденсированных систем давление меняется слабо, а, значит, не оказывает влияния на процессы и превращения в системе. В этом случае правило фаз записывается следующим образом:
F = k-r+l. (41)
Диаграммой фазового равновесия или Диаграммой состояния, Или Фазовой диаграммой называется геометрическое изображение равновесных состояний термодинамической системы при различных значениях параметров состояний.
Каждая точка на диаграмме состояния, именуемая Фигуративной точкой, определяет численные значения параметров, характеризующих данное состояние системы.
С помощью диаграмм состояний можно оценить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния.
Можно представить существование трех двухфазных и одного трехфазного равновесия для однокомпонентной системы:
S V; L V; SL; SLV. (42)
Равновесия (42) можно представить в виде диаграммы состояния (рис. 16), откуда видно, что диаграмма состояния представляет собой геометрический образ, выраженный линиями, отделяющими одну фазовую область от другой и называемыми Линиями фазовых равновесии.
В данном случае кривые aa1, aa2 и аа 3 делят диаграмму состояния на три поля: S, L, V. Все фигуративные точки, принадлежащие одному полю, отвечают однофазному состоянию и имеют, согласно правилу фаз, две степени свободы: 1=1-1+2=2. Это означает, что в пределах данного фазового поля одновременное изменение двух параметров состояния не вызывает нарушения фазового равновесия.
Рис. 16
Линия аа3 соответствует двухфазному равновесию между жидкостью и паром, характеризующееся одной степенью свободы. Это означает, что можно произвольно изменять только один из параметров состояния - р или Т. Из диаграммы также следует, что линия аа3 характеризует зависимость давления насыщенного пара данного вещества от температуры и ее можно трактовать как зависимость температуры кипения вещества от внешнего давления. В этой связи кривая аа3 получила название Кривой кипения или Кривой испарения.
Линия аа2 соответствует двухфазному равновесию между жидкостью и кристаллом. Ее называют Кривой плавления, т. к. она изображает зависимость температуры плавления от внешнего давления.
Линия aai характеризует равновесие кристалл-пар и называется Кривой возгонки или Сублимации. Она показывает влияние внешнего давления на температуру возгонки вещества. Вместе с тем она характеризует температурную зависимость давления насыщенного пара над твердым веществом.
Линии равновесии аа3, aa1 и аа2 сходятся в Тройной точке а, где сосуществуют все три Фазы (S, L, V). Согласно правилу фаз для трехфазного равновесия в однокомпонентной системе число степеней свободы равно 0. Это означает, что три фазы могут находиться в равновесии друг с другом сколь угодно долго, но при строго определенных значениях параметров состояния.
Похожие статьи
-
Принцип Ле Шателье - Систематика химических элементов
Химическое равновесие, отвечающее равенству скоростей прямой и обратной реакций и минимальному значению энергии Гиббса (G0Т=0), является наиболее...
-
Свободная энергия Гельмгольца. Свободная энергия Гиббса - Систематика химических элементов
Химические процессы обычно протекают либо при постоянном объеме и температуре (закрытые системы), либо при постоянном давлении и температуре (открытые...
-
Закон действующих масс. Правило Вант-Гоффа - Систематика химических элементов
Скорость химической реакции зависит, прежде всего, от природы реагирующих веществ, а также от условий протекания реакции: концентрации, температуры,...
-
Строение атома, Квантовые числа. Атомные орбитали - Систематика химических элементов
Квантовые числа. Атомные орбитали Состояние электрона в атоме любого химического элемента характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным,...
-
Необратимые и обратимые реакции. Химическое равновесие Когда при химическом взаимодействии хотя бы одно из веществ расходуется полностью, реакцию считают...
-
Термодинамика. Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Энергия. Внутренняя энергия Термодинамика изучает взаимное превращение теплоты,...
-
Теплота. Работа. Первое начало термодинамики - Систематика химических элементов
Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одной системы к другой можно разбить на две группы. В первую группу входят формы перехода энергии за...
-
Допустим, реакция aA + bB <> хХ + yY - гомогенная и идет в одну стадию. Тогда скорость прямой реакции vПр = KПр [A]A{B]B, а скорость обратной...
-
Если атом находится в основном (т. е. в невозбужденном) состоянии, то его электроны занимают самые низкие по энергиям орбитали. Однако в многоэлектронном...
-
Элементы матричного анализа - Методы решения системы линейных уравнений
Вектором, как на плоскости, так и в пространстве, называется направленный Отрезок , то есть такой Отрезок , один из концов которого выделен и называется...
-
Второе начало термодинамики. Энтропия Объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики Рис. 12 Из выражения первого начала термодинамики U =...
-
Теплота образования. Теплота сгорания. Следствия из закона Гесса - Систематика химических элементов
Теплотой образования называется тепловой эффект при образовании из простых веществ одного моль соединения. При этом теплота образования простых веществ...
-
Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции Атом валентность кристалл химический Примем, что единственным видом работы, которую совершает...
-
Энергия и длина связи. Обменный механизм образования ковалентной связи. Свойства ковалентной связи. Валентность. Донорно-акцепторный механизм образования...
-
Физико-химические свойства хрома - Хром. Элемент периодической системы химических элементов
Хром является серебристо-белым, твердым, блестящим, но в то же время довольно хрупким металлом. Ранее считалось, что хром практически не обладает...
-
В зависимости от направления перекрывания атомных орбиталей различают два вида ковалентной связи: -связь возникает при перекрывании атомных орбиталей...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
Периодическая система химических элементов 1 марта 1869 года признан днем открытия Периодического закона, который представляет собой один из наиболее...
-
Энтропия. Движущее начало химических процессов - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Убедившись в полезности знания тепловых эффектов химических превращений, мы, тем не менее, не смогли ответить на вопрос: "Почему одни химические реакции...
-
Основные понятия химической термодинамики - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Прежде чем приступить к изучению предмета химической термодинамики, необходимо ввести ряд терминов и понятий, используемых в этом разделе. Изучаемые...
-
Истинное и ложное равновесие Все химические реакции в той или иной степени обратимы. Если возможна реакция aA + bB хХ + yY, то возможна и обратная...
-
Кривые сложения . Диаграмма цветности ху - Основные колориметрические системы
Как было сказано ранее, при разработке колориметрической системы XYZ было поставлено условие, что реальные цвета не должны иметь отрицательных координат....
-
Катализ - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе Катализатора -- вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает...
-
Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье - Основы химии
Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на...
-
Ниже рассматривается наиболее важный изобарно-изотермический случай. Если реакция идет в изохорно-изотермических условиях, то вместо энергии Гиббса нужно...
-
Второе начало термодинамики. Энтропия Из предыдущих глав мы знаем много обратимых процессов, но есть и необратимые, например: - переход тепла от горячего...
-
Фактически это следствие первого начала термодинамики, но сформулирован раньше, чем первое начало. Тепловой эффект изобарного (или изохорного) процесса...
-
Первое начало термодинамики. Энтальпия - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика
Это закон сохранения энергии. Подводимая к системе теплота Q расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы А: Q = U + А Здесь U =...
-
Общие сведения Термодинамика - наука о превращениях энергии в различных процессах, как физических, так и химических, и о направлении процессов, о...
-
Задачи и упражнения по химическому равновесию - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика
При решении расчетных задач используйте цифровые данные из Приложения. Примеры решения подобных задач можно найти в задачнике Глинки [3, 4]. 1. От чего...
-
Влияние давления - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика
Существенно, прежде всего, для реакций с участием газов. Снижение давления ведет к увеличению объема и уменьшению концентраций всех газов, после чего...
-
Смещение равновесия Смещение равновесия - это изменение состояния равновесия (изменение равновесного соотношения количеств исходных веществ и продуктов)...
-
Химическим равновесием называется такое состояние химической системы, при котором количества исходных веществ и продуктов не меняются со временем. 1....
-
Периодическое изменение свойств атомов химических элементов - Систематика химических элементов
Химические свойства атомов элементов проявляются при их взаимодействии. Типы конфигураций внешних энергетических уровней атомов определяют основные...
-
Энергия Гельмгольца Изохорно-изотермический потенциал F = U - TS Величина ( V - TS ) является свойством системы; она называется энергией Гельмгольца....
-
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары в отличие от других составляющих смеси могут...
-
Скорость химической реакции. Энергия активации химической реакции Химическая термодинамика изучает возможность, направление и пределы самопроизвольного...
-
Чтобы возникла поверхность раздела фаз, нужна затрата энергии - Еа зародышеобразования. А когда новая фаза уже появилась, ее дальнейший рост идет...
-
Основные понятия и определения Истинные растворы являются гомогенными смесями веществ, в которых составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с...
-
1. Какие вопросы решает химическая термодинамика? 2. Что называется термодинамической системой? Как классифицируются системы? Приведите примеры различных...
Фазовое равновесие. Катализ, Фазовое равновесие. Правило фаз. Диаграмма состояния однокомпонентной системы - Систематика химических элементов