- •2. Уравнение правила фаз.
- •3. Геометрический образ уравнения состояния.
- •4. Однокомпонентные системы.
- •5. Двухкомпонентные системы.
- •5.1. Системы с неограниченной растворимостью
- •5.2. Системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и ограниченной в твердом.
- •6. Трехкомпонентные системы.
- •VII Растворы.
- •1. Общая характеристика растворов и их классификация.
4. Однокомпонентные системы.
Примером онокомпонентной системы является любое вещество (элемент или химическое соединение), обладающее строго определенным химическим составом во всех агрегатных состояниях.
Из уравнения состояния следует, что при с = const, диаграмма состояния однокомпонентной системы строится на плоскости в системе координат Р - Т. Наиболее часто как пример диаграммы однокомпонентной системы приводится диаграмма состояния воды в области невысоких давлений (рис.6.2).
Рис. 6.1. Схема
определения состояния системы.
S - область соответствует твердому (кристаллическому) состоянию;
L - область соответствует жидкому состоянию;
G - область соответствует газообразному состоянию;
Для любой точки, лежащей внутри той или иной области правило фаз определяет:
c = k - f + 2 = 1 - 1 + 2 = 2,
т. е. система обладает двумя степенями свободы. Это означает, что одновременно изменение давления и температуры в пределах данной области не вызовет нарушения фазового равновесия.
Линия ON - геометрическое место точек, определяющих значения Р и Т, которые обеспечивают равновесное сосуществование двух фаз - жидкости и пара:
.
Линия ОМ - граница между областью S и областью L, представляющая собой совокупность точек, соответствующих состоянию двухфазного равновесия между твердой и жидкой фазами:
.
Линия ОМ называется кривой плавления, так как она изображает зависимость температуры плавления льда от давления.
Рис. 6.2. Диаграмма
состояния воды.
.
Эта линия устанавливает зависимость давления пара над твердой фазой от температуры и, с другой стороны, устанавливает влияние давления на температуру возгонки.
В соответствии с уравнением правила фаз, число степеней свободы для любой точки на любой кривой составит:
c = k - f + 2 = 1 - 2 + 2 = 1,
то есть система обладает одной степенью свободы. Это означает, что не нарушая состояния равновесия, можно произвольно изменять только один параметр. При этом другой параметр тоже должен изменяться в соответствии с уравнением соответствующей кривой.
Линии ON, OM и OQ имеют одну общую точку, точку О, называемую тройной точкой. Она определяет значения параметров, при которых жидкость, пар и кристаллы находятся в состоянии равновесия. По правилу фаз число степеней свободы системы в тройной точке:
c = k - f + 2 = 1 - 3 + 2 = 0,
что определяет условия равновесного сосуществования трех фаз при строго фиксированных значениях Р и Т. Для воды:
Р0 = 0,006 105 Па и Т0 = 273,0075 К.
5. Двухкомпонентные системы.
Двухкомпонентными называются системы, образованные двумя компонентами, которые могут быть как простыми веществами, так и химическими соединениями. Соотношение компонентов способно значительно изменять свойства системы.
Исходя из принципов построения уравнения состояния для двухкомпонентной системы справедливо уравнение:
, (6.3)
где С1, С2 - концентрации первого и второго компонентов.
Но С1 + С2 = const и если р = const, то (6.3) упрощается:
. (6.4)
Таким образом, диаграмма состояния двухкомпонентной системы строится в координатах Т - С. Если в однокомпонентной системе энергия Гиббса фазы изменяется только при изменении Р и Т в соответствии с уравнением (4.67) в двухкомпонентной системе энергия Гиббса определяется не только значениями Р и Т, но и составом фаз, поэтому
, (6.5)
где - химический потенциал i-го компонента;
ni - количество i-го компонента в фазе.
Уравнение (6.5) - главное уравнение химической термодинамики, основа применения
термодинамики в химии и теории фазовых переходов. Системы, поведение которых описывается на основе (6.5) называются открытыми (незамкнутыми).
Любая точка на диаграмме двухкомпонентной системы - носитель определенной информации (рис. 6.3).
Так фигуративная точка (а) указывает на то, что сплав состава (%В, %А) находится при температуре ТА. Сплавом называют твердые или жидкие системы, образованные, главным образом, сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. На диаграмму двухкомпонентной системы наносят только точки, характеризующие процессы плавления или затвердевания, фазовые переходы и т.п. Линии, соединяющие эти точки, носят определенные названия. Линия, являющая собой совокупность точек начала кристаллизации всех сплавов системы, называется линией ликвидус. Линия, представляющая собой совокупность точек конца кристаллизации, носит название линии солидус.