Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса.

В гетерогенной системе, с одной стороны, возможны фазовые превращения, а с другой – протекание химических реакций. Состоянию равновесия гетерогенной системы отвечает равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах, а также минимальное значение одного из т/д потенциалов или максимальное значение энтропии. Общие закономерности, которым подчиняются равновесные гетерогенные системы, описывается правилом фаз Гиббса.

Гомогенной системой называется такая однородная система, которая во всех своих частях обладает одними и теме же физическими и химическими свойствами и не имеет видимых поверхностей раздела. Например: раствор, смесь газов, индивидуальное твердое вещество.

Гетерогенной системой является не однородная система, внутри которой имеются поверхности раздела, отделяющие друг от друга части системы, различающиеся по своим свойствам. Например: вода и лёд, насыщенный раствор и кристаллы соли.

Фазой называется гомогенная часть гетерогенной системы, химический состав и физические свойства которой одинаковы. Например: смесь воды со льдом представляет собой две фазы: вода – фазу, лёд – другую.

Таким образом, гомогенная система состоит из одной фазы, а гетерогенная – из нескольких.

Составляющее вещество – то вещество, которое может быть выделено и может существовать вне ее.

Индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз, являются компонентами. Число компонентов в системе, в которой не может идти химическая реакция, равно числу соответствующих ей индивидуальных веществ. Число компонентов в системе, в которой могут идти химические реакции, равно числу образующих ее индивидуальных веществ за вычетом числа независимых химических уравнений, связывающих концентрации или парциальные давления компонентов. Например, в системе, состоящей из фенола и воды, оба индивидуальных вещества являются компонентами, так как в этой системе химическая реакция не протекает и количество составляющих веществ мы можем менять независимо один от другого. В системе, состоящей из СаСО_3, СаО и СО_{2 ,} Может протекать химическая реакция:

СаСО₃ = СаО + СО₂

В этой системе только два вещества из трёх будут являться компонентами, так как составляющие вещества зависят друг от друга и поэтому для образования всей системы достаточно знать концентрации двух веществ (безразлично каких), концентрацию третьего определяют вычитанием. В зависимости от числа компонентов системы различаются однокомпонентные, двухкомпонентные и т.д.

Величины, характеризующие состояния системы, называются термодинамическими параметрами. Например, давление, температура, концентрация, внутренняя энергия, энтропия.

Термодинамические параметры фаз системы, находящихся в равновесии, которым можно придавать произвольные значения в том интервале, в котором число фаз не изменяется, являются термодинамическими степенями свободы.

В системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз дается уравнением правила фаз или, точнее, законом равновесия фаз:

f = n + 2 – k,

где f– число степеней свободы, n – число компонентов, k – число фаз. Это уравнение называется правилом фаз Гиббса.

Число степеней свободы равновесной гетерогенной системы, на которую из внешних факторов влияют только температура и давление равно числу компонентов + 2 и за вычетоом числа фаз.

В зависимости от числа степеней свободы системы разделяются на инвариантные, когда не имеется ни одной степени свободы, моновариантные, когда имеется одна степень свободы, бивариантные, когда имеются две степени свободы.