Тема ііі. Фазовые равновесия

Физико-химический анализ широко используется для изучения гетерогенных фазовых равновесий.

Фазой называется совокупность однородных частей системы, находящихся в одном и том же агрегатном состоянии и обладающих одинаковыми термодинамическими и физическими свойствами. Фазы отделены друг от друга физическими поверхностями раздела. В системе может быть несколько твердых (гранит) или жидких (эмульсии) фаз.

Компонентами называются химически однородные вещества, являющиеся независимыми составными частями системы. В качестве компонентов выбираются те вещества, наименьшее число которых достаточно для образования как всей системы, так и любой ее части. Для систем, в которых не происходит химической реакции, число компонентов равно числу составных частей. Для систем, в которых могут проходить химические реакции, число компонентов равно числу составных частей минус число возможных реакций между этими составными частями.

Числом степеней свободы (вариантностью системы) называется число тех параметров состояния системы, величину которых можно изменять произвольно без изменения числа фаз.

Изменение числа фаз в системе в зависимости от числа компонентов и от изменения внешних условий устанавливается правилом фаз Гиббса:

в равновесной многофазной системе число степеней свободы равно числу компонентов системы минус число фаз плюс два, если на систему влияют из внешних термодинамических факторов только давление и температура.

С = К - Ф + 2,

где С—число степеней свободы (вариантность),

К — число компонентов, Ф— число фаз.

В качестве примера методов физико-химического анализа можно привести пример термического анализа двухкомпонентных систем, который имеет большое значение при исследовании свойств пищевых и технических жиров, когда нужно разработать технологию и состав системы с определенной температурой плавления, как например, в маргариновой промышленности.

Для того, чтобы получить диаграмму состояния (для случая плавления она так и называется «диаграмма плавкости») вначале строят кривые нагревания (или охлаждения) для ряда смесей с различной концентрацией компонентов А н В (рис. 1 а), а затем и саму диаграмму состояния системы А—В (рис. 1 б).

Рис. 1. а — кривые охлаждения, б— диаграмма плавкости.

Для этого на координатную сетку состав — температура наносят все температурные остановки и точки излома кривых нагревания (или охлаждения), а потом соединяют полученные точки. Диаграммы плавкости имеют различный вид в зависимости от кристаллохимической природы и реакционной способности компонентов.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое фаза, компонент, степень свободы?

2. Сформулируйте правило фаз Гиббса.

3. Разберите диаграмму состояния воды.

4. Определите в любой точке двухкомпонентной системы число фаз и число степеней свободы.

5. Сформулируйте законы Коновалова. Что такое азеотропная смесь?

6. Укажите, как распределяется третий компонент в двух равновесных системах.