tch I wykl 008c, Technologia chemiczna, Chemia fizyczna, Wykłady, wykłady na PGda
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Faza.
Równowagi fazowe –
układy wieloskładnikowe
Podstawowe definicje (c.d.)
Gazy zawsze
tworzą jedną fazę
(ciągłą)
Ciecze (dwuskładnikowe) mogą
tworzyć roztwory lub nie
(rozpuszczalność częściowa)
Ciała stałe są
często fazą
rozproszoną
Chem. Fiz. TCH II/08
1
Patrz też Wykład VII, slajd „Wprowadzenie do równowag fazowych (1)”.
Faza
– dla danej substancji – jej postać
charakteryzująca się jednorodnym
składem chemicznym i stanem
fizycznym. W obrębie fazy niektóre
intensywne funkcje stanu (np. gęstość)
mają jednakową wartość.
Fazy w zasadzie dają się mechanicznie oddzielić od siebie. Nie jest wymagana
ciągłość fazy. W tych ostatnich przypadkach możemy mówić o fazie ciągłej –
rozpraszającej i nieciągłej – rozproszonej. W skrajnych przypadkach mamy do
czynienia: w układach ciało stałe – ciecz z dyspersjami (zawiesiny, układy
koloidalne), w układach ciało stałe – gaz i ciecz – gaz z aerozolami (mgły,
dymy). W takich układach z bardzo rozproszoną fazą istotną rolę zaczynają
odgrywać właściwości powierzchni granicznej.
Podstawowe definicje (2)
2) Składniki niezależne
–są to składniki, których stężenia w układzie
można, przynajmniej w pewnym zakresie, zmieniać dowolnie. Ich
liczbę można wyznaczyć odejmując od liczby składników (bez przy-
miotnika) liczbę możliwych reakcji chemicznych, zachodzących mię-
dzy nimi w danych warunkach.
Składnikiem niezależnym nie są
np. jony w roztworach elektro-
litów, bowiem zawsze trzeba
razem z nimi dodać towarzyszą-
cy im jon o przeciwnym znaku.
W pozostającym w równowadze
(chemicznej) układzie:
CaCO
3
(s) = CaO(s) + CO
2
(g)
są tylko 2 (dwa) składniki
niezależne.
Chem. Fiz. TCH II/08
2
Równaniem wiążącym trzeci składnik jest równanie reakcji i odpowiednia stała
równowagi.
Podstawowe definicje (3)
3) Liczba stopni swobody
– liczba parametrów, jakie można zmie-
niać w układzie, przynajmniej w pewnym zakresie, bez zmiany
liczby istniejących w nim faz. Inaczej – najmniejsza liczba
parametrów wystarczająca do jednoznacznego zdefiniowania
stanu układu.
Chem. Fiz. TCH II/08
3
W obszarach (płaszczyznach) istnienia jednej fazy mamy dwa stopnie swobody –
można zmieniać P i T. Wzdłuż linii (dwie fazy współistnieją) – tylko jeden
parametr – drugi jest narzucony. Punkt potrójny nie ma w ogóle stopni swobody
– jest to tzw. stan
inwariantny
.
Równowaga w układzie
wieloskładnikowym
Rozpatrujemy analogicznie jak dla układu jednoskładnikowego:
P=const
T=const
dg
α
=
∑
µ
α
J
dn
J
dg
β
=
−
∑
µ
β
J
dn
J
Y
Y
Ponieważ rozpatrujemy stan równowagi:
dg
=
dg
α
+
dg
β
=
0
zatem:
Y
( )
0
α
J
−
µ
β
J
dn
J
=
a ponieważ:
dn
J
≠
0
musi być spełnione:
µ
α
J
β
−
µ
J
=
0
lub też:
µ =
α
J
β
µ
J
Chem. Fiz. TCH II/08
4
Warunek równowagi międzyfazowej w układzie jednoskładnikowym znamy z
wykładu VII; slajd „Termodynamika równowagi fazowej (1)”.
Rozpatrujemy tutaj układ wieloskładnikowy, dwufazowy (
α
i
β
). Można
oczywiście dowieść analogicznym, choć odpowiednio bardziej rozbudowanym
rozważaniem, że potencjały chemiczne danego składnika są równe w kilku
fazach będących równocześnie w równowadze między sobą. Zastanowimy się
teraz, ile faz może ze sobą współistnieć.
µ
Reguła faz Gibbsa (1)
Jeśli policzymy ile parametrów (stopni swobody)
F
musimy podać,
aby jednoznacznie określić stan układu zawierającego
C
niezależnych
składników i
P
faz:
Zmiennych stężeniowych:
C
–1
dla każdej fazy, oraz
P
(
C
–1)
dla wszystkich faz, a uwzględniwszy
P
i
T
:
P
(
C
–1)+2
Jak wykazaliśmy, dla każdego składnika:
µ
α
J
=
µ
β
J
...
µ
β
=
µ
J
...
co daje:
P
–1
równań dla jednego składnika, oraz
C
(
P
–1)
Chem. Fiz. TCH II/08
5
Skróty F, C, P pochodzą z języka angielskiego: degrees of
F
reedom,
C
omponents,
P
hases.
C – 1 dla każdej fazy, bowiem ułamków molowych wystarczy podać właśnie
tyle, suma musi wynosić 1.
J
γ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]