3. Термодинамика растворов и гетерогенные (фазовые) равновесия

3.1. Основные понятия и определения

Компонентами называют индивидуальные вещества, из которых состоит система. Причем эти вещества могут быть выделены из системы простыми препаративными методами (кристаллизация, выпаривание и др.) и существовать вне ее.

Числом независимых компонентов называют наименьшее число индивидуальных веществ, необходимых для образования данной системы.

Число независимых компонентов равно общему числу индивидуальных веществ, входящих в данную систему, за вычетом числа уравнений, связывающих равновесные концентрации этих веществ. Установить число независимых компонентов в системе порой не просто.

Пример: Определим число независимых компонентов системы, в состав которой входят , и .

Число независимых компонентов данной системы может быть равно 2 или 1. В данной системе протекает реакция . Если и взяты не в стехиометрическом соотношении, то число независимых компонентов будет , т.к. существует одно уравнение, связывающее равновесные концентрации компонентов – это уравнение закона действия масс:

.

Однако, если исходные вещества взяты в стехиометрическом соотношении, то добавляется еще одно уравнение и число независимых компонентов будет равно .

Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух и более независимых компонентов, в каждом элементарном объеме которого одинаковы физические, химические и термодинамические свойства.

Условно в системе, состоящей из жидких компонентов, растворителем считают вещество, которого больше. При одинаковых количествах растворителем и растворенным веществом может быть любой компонент.

Растворы бывают:

1. газообразные;

2. жидкие: 2.1. растворы неэлектролитов;

2.2. растворы электролитов;

3. твердые.

Между компонентами в растворе существуют три типа взаимодействий:

1. между молекулами одного компонента;

2. между молекулами другого компонента;

3. между молекулами различных компонентов.

Свойства растворов существенно зависят от состава, поэтому важнейшей характеристикой растворов является концентрация. Существуют различные способы выражения концентрации растворов.

Мольная доля – отношение числа моль компонента к общему числу моль всех компонентов :

.

Молярность – число моль компонента в 1 дм³ раствора:

.

Моляльность – число моль компонента в 1000 г растворителя:

.

где – масса растворителя, .

Все растворы подразделяют на идеальные и реальные.

Идеальными называют растворы, все компоненты которых характеризуются одинаковой формой и размером молекул, а также одинаковыми энергиями межмолекулярного взаимодействия.

Идеальных растворов мало и встречаются они достаточно редко. Идеальные растворы – гомологические смеси веществ, близких по своим физико-химическим свойствам. Например, смеси оптических изомеров, соседних членов одного и того же гомологического ряда веществ и т.п.

Одной из наилучших моделей идеального раствора является смесь идеальных газов.

Реальными называют растворы, молекулы компонентов которых отличаются или по размерам, или по форме, или по энергии межмолекулярного взаимодействия.

Большинство встречающихся на практике растворов являются реальными.

Гетерогенными называют системы, состоящие из двух и более фаз.

Фазой называют часть системы, имеющую явно выраженную поверхность раздела и одинаковые физические, химические и термодинамические свойства.

Параметры состояния системы включают в себя внешние параметры ( , , , и др.) и внутренние параметры, которые определяют равновесный состав фаз. Эти параметры называют концентрационными или концентрациями.

Число концентрационных параметров одной фазы равно числу независимых компонентов, входящих в состав данной фазы, за вычетом единицы (так как, например, если система состоит их двух компонентов, то концентрацию второго компонента можно определить, зная концентрацию первого).

ЛЕКЦИЯ 9