Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.test.physchem.msu.ru/doc/ncheml4.doc Дата изменения: Sat Oct 22 13:56:22 2011 Дата индексирования: Sun Apr 10 22:48:45 2016 Кодировка: koi8-r

ФХФ-2011 Лекция 4

[pic]
Лекция 4 Фазовые равновесия. Фазовые диаграммы..

§ 1. Вещество и его превращение

Химия рассматривает превращение веществ. Что такое вещество и его
превращение? ( Вещество - это совокупность взаимодействующих частиц,
которая характеризуется следующими признаками - составом, размером частиц,
структурой и особенностями химической связи (Рис. 1).












Рис. 1. Основные признаки вещества.

Состав - это виды частиц, из которых построено вещество. Например,
кристалл хлористого натрия построен из ионов натрия и хлора, занимающих
соответственно катионные [pic]и анионные [pic] узлы. Такими частицами могут
быть не только атомы, ионы, но и молекулы, например, молекулы I2 в
кристаллах йода, воды, координационные многогранники (полиэдры), например,
[pic] в кристаллах сульфата калия (тетраэдры) и т.д.
Структура - некоторое упорядоченное размещение указанных частиц в
пространстве.
Свойства кристалла - энергия кристаллической решетки, электрические,
оптические, химические и т.д. - определяются составом и структурой
кристалла. Различное же размещение в пространстве одних и тех же частиц,
например, атомов углерода в алмазе и графите, приводит к различным
свойствам - энергии кристаллической решетки, определяющей температуры
плавления и кипения, твердость и .т.д.
Химическая связь - это те силы, которые связывают частицы между собой.
Они обусловлены электростатическим взаимодействием электронов и ядер. В
зависимости от распределения электронов между ядрами различают ионный,
ковалентный и металлический типы химической связи.
Размер частиц - влияет на энергию взаимодействия частиц. В
нанометровом диапазоне (1-100 нм) изменяются и становится возможным
формирование новых физических и химических свойств вещества. Это связано с
физикой и химией поверхности (зависимость энергии поверхности от размера
частиц).
Превращение вещества - это процесс изменения одного или нескольких его
признаков. Оно сопровождается изменение энергии (dU) в форме передачи
теплоты ((Q) и совершения работы ((А).
Как описать превращение веществ? Как им управлять?
Для открытых же систем внутренняя энергия (U) зависит от массы
системы, поэтому
dU = (Q ( (А + dAм (2),
где Aм -работа, обусловленная изменением массы системы.

§ 2. Система. Состояние системы. Координаты состояния. Законы изменения
координат состояния (уравнение состояния).
2.1 В таблице 1 сопоставлены задачи изучения, координаты состояния,
процессы и основные законы изменения координат состояния в химических,
механических и квантово-механических системах.
Таблица 1.
Состояние системы (набор некоторых координат), процесс, законы

протекания процессов

| |Типы систем |
| | |Механические |Химические |Квантово-механич|
| | | | |еские |
|1. |Предмет |Перемещение тел в |Превращение веществ |Распределение |
| |изучения |пространстве | |электронной |
| | | | |плотности |
|2. |Координаты | |a) Интенсивные | |
| |(параметры) |x, y, z, t, m |параметры не зависят|( = ( (n, l, m, |
| |состояния | |от количества |s) |
| | | |вещества: Р, Т. | |
| | | |b) Экстенсивные | |
| | | |зависят от | |
| | | |количества вещества:| |
| | | |V, s, m, U | |
|3. |Процесс |[pic] |Изменение энергии, | |
| |-изменение |[pic] |поглощение | |
| |координат | |(выделение) теплоты,| |
| |состояния | |совершение работы | |
|4. |Законы |[pic] | | |
| |изменения |[pic] |dU = (Q ( (A | |
| |координат |s = V(t | | |

2.2. Уравнение состояния

[pic] (1)

[pic] (2)

[pic] (3)

[pic] (4)

[pic] (5)
(Уравнение Гиббса - Дюгема)

§ 3 Фаза вещества (фаза) - состояние вещества с определенным набором
интенсивных параметров (координат) (У. Гиббс).

§ 4. Гомогенные и гетерогенные системы.

§ 5. Компоненты системы:

5.1. Частицы, из которых построена система, - составляющие; их число
n.

5.2. Если их концентрации связаны m-уравнениями, то k = n - m -
независимые составляющие, или просто компоненты.

Пример: NH3 (газ) + HCl (газ) = NH4Cl (ТВ)

n = 3; m = 1 и k = n - m = 3 - 1 = 2

5.3. Требования, которым должны удовлетворять компоненты:

а) независимость;

b) полнота описания свойств;

с) сохранение условия электронейтральности.



§ 6. Условия равновесия фаз.

Как их найти? - Из условия минимума функции F (G)

6.1. Т(1) = Т(2) = Т(3) (Условие теплового равновесия)

6.2. P(1) = P(2) = P(3) (Условие механического равновесия)

6.3. (i (1) = (i(2) = (i 3) (Условие химического равновесия)



§ 7. . Правило фаз

c = k + 2 - r (6)

c - число независимых параметров (координат) или степеней свободы,
которое можно изменять, сохраняя число фаз.

§ 8. Диаграммы состояния

8.1. Диаграмма состояния воды (k= 1)



[pic]



АО - зависимость давления насыщенного пара надо льдом от температуры
(зависимость температуры сублимации от давления)

ОК - зависимость давления насыщенного пара над жидкостью от температуры
(зависимость температуры кипения от давления)

ОВ - зависимость температуры плавления льда от давления

О - тройная точка (сосуществуют три фазы: лед, вода, пар)

К - критическая точка (исчезает различие между газом и жидкостью)

§ 9 Химическое взаимодействие веществ и типы фазовых диаграмм.

§9. 1. Типы взаимодействия твердых веществ А + В.






















§ 9. 2. Диаграмма состояния двухфазной (L +V) двухкомпонентной (k =2, HCl
+ H2O ) системы
[pic]
[pic]
-----------------------

Вещество


Размер частиц


Состав - вид частиц, образующих вещество


Химическая связь - силы, удерживающие частицы между собой



Структура - некоторое размещение частиц в пространстве


Свойства


Взаимодействие А + В:
ЕА-А; ЕВ-В; ЕА-В

Есть взаимодействие
ЕА-А ( 0; ЕВ-В ( 0; ЕА-В ( 0

Нет взаимодействия
ЕА-А ( 0; ЕВ-В ( 0; ЕА-В = 0

ЕА-А и ЕВ-В < ЕА-В
Образуются химические сссоединения

ЕА-А и ЕВ-В > ЕА-В
Ограниченная смешиваемость

ЕА-А = ЕВ-В = ЕА-В
Неограниченная смешиваемость


Тm,B

Тm,B


T


Тm,B

Тm,AB


E


Тm,A

Тm,A

Тm,A


В



А



AВ



В



А



В



А