Тема 4. Фазовые равновесия

Фазой называют совокупность гомогенных частей термодинамической системы, одинаковых по всем интенсивным свойствам. Фаза отделена от других фаз поверхностями раздела.

Компонентами называются химически индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной термодинамической системы. Число компонентов определяется числом независимых составных частей системы. Системы, составные части которых не вступают друг с другом в химические реакции, называются физическими системами или системами первого класса. При наличии химического взаимодействия между составными частями системы относятся к химическим системам или системам второго класса.

Во- первых число компонентов равно числу составных частей за вычетом числа реакции между ними, т.е. числу независимых составных частей системы.

Например, система, состоящая из СаСО₃, СаО и СО₂, является химической. Между указанными веществами протекает реакция:

СаСО₃ (тв) СаО (тв) + СО₂ (г)

В данной системе число компонентов равно двум.

Общим условием фазового равновесия в системе, состоящей из нескольких конденсированных фаз и нескольких компонентов, является равенство парциального давления насыщенного пара каждого данного компонента над всеми фазами. Если какой то компонент над одной из фаз обладает большим давлением, чем над другой, то он будет переходить из первой фазы во вторую, пока не сравняются парциальные давления данного компонента над обеими фазами, т.е. пока не наступит равновесие.

В однокомпонентных системах в равновесии одновременно могут находиться три фазы (n = 2, F = 0), система безвариантна, две фазы (n = 2, F = 1), система одновариантна, либо одна фаза (n = 1, F = 2) система двухвариантна. В однокомпонентной системе не могут одновременно находиться четыре фазы и более.

Состояние однокомпонентной системы можно полностью определить двумя параметрами t⁰ и P. В однокомпонентных системах произвольного задается один из параметров (в определенных пределах) без нарушения равновесия, а в двухвариантных – оба параметра.

Полиморфизмом называют способность вещества изменять строение кристалической структуры при изменении внешних условий. Различные модификации принято обозначать греческими буквами - и т.д.

Существует два вида полиморфных превращений. Если каждая из модификаций вещества имеет свою область устойчивости при определенных значениях температуры и давления, то такие модификации энантиотропны. Если использовать символику обратимых реакций, то энантиотропные превращения можно выразить схемой:

S₁ S₂

S₁, S₂ – кристалической модификации (фазы) вещества

I – жидкая фаза

Энантропные модификации – обратимое превращение.

Если одна из существующих модификаций устойчивее другой во всей области существования вплоть до температуры плавления, то такие модификации называют монотропными.

Решение практических примеров и задач

1. Какая система называется системой первого класса?

2. Что называется фазой?

3. Дайте определение правилу фаз Гиббса.

4. Как определяется число компонентов?

5. Для чего применяется уравнения Клаузиуса – Клапейрона?

6. Чем отличаются энантиотропные модификации?

7. Сколько кристаллических полиморфных модификаций имеет диоксид кремния?

8. Полиморфные превращения

9. Диаграмма состояния серы

Вопросы для компьютерного тестирования

1.Укажите область существования α - кристаболита:

1470 – 1728⁰С

870 – 1470⁰С

573 – 870⁰С

ниже 400⁰С

400 - 500⁰С

2.Укажите схему энантиотропных превращений:

S₁ ↔S₂ ↔ I

S₁ ↔S₂

S₁ ↔ I

S₂ ↔ I

ΔS₁ ↔ ΔS₂

3.Выше линии ликвидиуса расположена:

область существования одной жидкой фазы

область существования одной твердой фазы

область существования газовой фазы

область кристализации

область испарения

4.Число тройных точек диаграммы состояния системы равно:

числу модификации твердой фазы

числу жидкой фазы

числу газообразной фазы

числу компонентов

числу степеней свободы

5.Правильность построения диаграмм состояния контролируется:

с помощью принципов непрерывности и соответствия, правила фаз

с помощью физико-химических анализов

с помощью математических расчетов

с помощью наблюдения

с помощью индикаторов