4. Фазовые равновесия

Химические процессы нередко сопровождаются переходами веществ из одного агрегатного состояния в другие. Изменение агрегатного состояния и фазовые переходы происходят и в процессах разделения и очистки веществ. Все химические физико-химические процессы, протекающие в химико-технологических системах, подчиняются законам фазовых равновесий. Выбор оптимальных режимов проведения химико-технологических процессов предполагает необходимость изучения законов, регулирующих поведение гомогенных и гетерогенных систем. Знание законов, которым подчиняются такие системы, представляет практический интерес, поскольку они лежат в основе методов разделения, очистки и переработки природного сырья и других смесей. Для этих целей в технологических схемах часто используют процессы испарения, конденсации, растворения, кристаллизации, абсорбции, десорбции, экстрагирования и т. п. Фазовые равновесия изучаются методами физико-химического анализа. Результаты этих исследований часто представляются в виде диаграмм состояния систем. Диаграммы состояния очень важны при проектировании технологических процессов, особенно для выбора процессов разделения веществ: перегонки, ректификации или экстракции.

4. 1. Основные понятия и определения

Основными понятиями в теории фазовых равновесий являются: система, фаза, компоненты, термодинамические степени свободы, вариантность системы.

Фаза – часть системы, имеющая в каждой точке одинаковый химический состав и одинаковые физические и химические свойства и отделенная от других частей системы границей (поверхностью) раздела.

Гомогенная система – однородная система, состоящая из одной фазы.

Гетерогенная система – неоднородная система, состоящая из нескольких фаз.

Составляющие вещества – вещества, которые могут быть выделены из системы и вне нее могут устойчиво существовать.

Компоненты системы – составляющие вещества, наименьшее число которых достаточно для образования системы.

Если в системе не происходит химических взаимодействий, то число компонентов равно числу составляющих веществ. А если в системе происходит химическое взаимодействие, то число компонентов меньше числа составляющих веществ на число уравнений, связывающих концентрации этих веществ.

Термодинамические степени свободы – параметры, определяющие состояние системы, которые можно менять произвольно и независимо друг от друга, не вызывая при этом изменения числа и природы фаз в системе. В качестве таких параметров, как правило, выбирают давление, температуру и концентрации.

Вариантность системы – число термодинамических степеней свободы.

4. 2. Условия равновесного сосуществования фаз

Условием равновесия в системе изобарно-изотермических условиях (при P = const и T = const) является выполнение следующих равенств (см. раздел 3):

или

,

где k – число компонентов в системе.

Если в равновесии находятся две фазы

,

то

,

откуда

В многофазной гетерогенной системе условием равновесного существования фаз является равенство химических потенциалов для каждого i-го компонента во всех фазах:

,

где f – число фаз в системе.