Вопросы для самоконтроля

1. Назовите признаки химического равновесия

2. Приведите примеры обратимых и необратимых реакций

3. Что понимают под термином химическое сродство

4. Перечислите условия, которые необходимо создать для большего выхода продуктов реакции: СН₄(г) + Н₂О(г) СО(г) + 3Н₂(г) + Q

Тема 1.6. Фазовое равновесие

Фазовыми равновесиями называются гетерогенные равновесия, то есть состояния, при которых переход веществ из одной фазы в другую не сопровождается изменением их химического состава (кристаллизация, парообразования и т.д.)

Американский учёный Гиббс вывел правило фаз, которое устанавливает при каких условиях (t, P, C) отдельные однородные участки гетерогенных систем (фазы) находятся в состоянии термодинамического равновесия.

С + Ф = К_n + n.

Ф – число фаз – совокупность гомогенных частей системы, обладающих одинаковыми термодинамическими свойствами и которые отделены от других частей системы видимыми поверхностями раздела.

К_n – число независимых компонентов – минимальное число компонентов, достаточное для построения любой фазовой системы.

Для физических систем (системы, в которых происходят фазовые превращения, не химические). К_n = K

K – число компонентов в системе (химических соединений).

Для химических систем (системы, в которых протекают химические реакции).

К_n = K минус число химических реакций.

С – число степеней свободы – это наибольшее число факторов (t, P, C), которое можно произвольно менять без числа фаз в системе (фазовых равновесий).

n – число внешних факторов

С + Ф = К_n + 2 (для неконденсированных систем)

С + Ф = К_n + 1 (для конденсированных систем)

При изучении гетерогенных равновесий используют фазовые диаграммы – диаграммы состояния системы и фазовых равновесий в ней в зависимости от внешних условий (t, P) или от состава системы.

Диаграммы состояния строятся в масштабе по экспериментальным данным и позволяет определить состояние системы при любых заданных условиях.

Примеры решения задач.

Пример 1

Определить число степеней свободы для системы, состоящей из N₂, H₂, O₂

Решение:

Система гомогенная (физически однородная)  Ф = 1 (любая смесь газов составляет однородную систему).

Система физическая (нет химических реакций) К_n = К К = 3 (N₂, H₂, O₂).

Система неконденсированная n = 2.

C = K_n + 2 – Ф; C = 3 + 2 – 1 = 4 – т.е. система тетравариантная – это означает, что в данной фазовой системе можно произвольно менять 4 фактора и при этом не произойдёт сдвиг фазового равновесия, то есть в системе число фаз будет = 1.

Пример 2

Определить число степеней свободы для системы

лед вода

пар

Ф = 3 (тв, ж, газ)

К_n = 1 (H₂O)

n = 2 (система неконденсированная)

С = К_n + 2 – Ф = 1 + 2 – 3 = 0 – система безвариантная.

Данная физическая система существует при строго определённых условиях, если изменить одно из условий, при которых система находится в равновесии, то число фаз в системе нарушится.

Пример 3

Определить число степеней свободы для системы

СaCO_3(тв)  СaO_(тв) + СО_2(г).

Ф = 3 (любое твёрдое вещество определяет собственную фазу)

К_n = K – 1 (одна химическая реакция)

К_n = 3 -1 = 2

n = 2 (система неконденсированная, то есть имеется газовая фаз)

С = К_n + 2 – Ф = 2+2-3 = 1 – система моновариантная, то есть можно произвольно менять только 1 фактор (t), чтобы не произошло сдвига фазового равновесия, а 2 фактор (Р) будет строго зависеть от изменения первого фактора.