Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Полтавський національний педагогічний університет

імені В.Г.Короленка

 
 
 
 

кафедра хімії та

методики

викладання  хімії 
 
 

Реферат з предмету «фізична хімія»

на  тему

«Однокомпонентні системи. Діаграма стану чистої речовини.» 
 
 
 

                                                                              Виконав: студент

 природничого факультету

                                                                   групи П-22 
 
 
 
 
 
 
 

Полтава-2011

Зміст 

Вступ………………………………………………………………………3

1. Поняття фази. Правило фаз Гіббса…………………………….……..4

2. Однокомпонентні  системи. Застосування правила фаз Гіббса до однокомпонентних систем………………………………………………6

3. Діаграма стану  чистої речовини……………………………...………7

Висновок…………………………………………………………...……10

Список використаної літератури………………………………………11

 

Вступ 

     Існування даної фази в системі або рівновага  фаз можливі лише у визначених умовах, при зміні цих умов рівновага  системи порушується, відбувається зрушення фаз або перехід речовини з однієї фази в іншу.

     Можливість  існування даної фази в рівновазі  з іншими визначається правилом фаз  або законом рівноваги фаз.

     Умови, при яких система знаходиться  в рівновазі, можуть змінюватися (система  може знаходитися при різних температурах, тисках і концентраціях). Умовимося називати складовою частиною системи, або компонентом, кожну з хімічно однорідних речовин, які знаходяться в ній, або виділяються з неї і можуть існувати в ізольованому виді тривалий година. Компоненти системи, найменше число яких достатнє для утворення усіх фаз даної системи, називають незалежними компонентами.

      Метою роботи являється висвітлення основних уявлень про фазові рівноваги конкретних термодинамічних систем, зокрема однокомпонентних. Тобто таких систем, які складаються з індивідуальної речовини, яка може існувати в різних агрегатних станах (твердому, рідкому, пароподібному) і в різних твердих станах – алотропічних модифікаціях (наприклад сірка моноклінна, ромбічна, карбон у вигляді аморфного вугілля, графіту, алмазу тощо). Навести приклад діаграми стану чистої речовини. Діаграма стану – це графічне зображення стану рівноваги фаз при різних температурах і тиску.

     Завданнями  роботи було:

     - дослідити поняття фази;

     - навести приклади однокомпонентних систем;

     - показати основні методи дослідження сплавів

     - побудувати діаграми стану однокомпонентної системи, розглянути основні криві та точки діаграми.

 

1. Поняття фази. Правило  фаз Гіббса. 

     Фаза(Ф) - частина гетерогенної системи, обмежена поверхнею розділу. що характеризується у відсутністю зовнішнього поля сил однаковими хімічними, фізичними і термодинамічними властивостями в усіх своїх точках. Кожна фаза гомогенна, але не безперервна, тобто може складатися з окремих кристалів.

     По  числу фаз системи ділять на однофазні, двофазні, трьохфазні і багатофазні.

     Система може складатися з одного або декількох  компонентів.

Компонентом називають  індивідуальну хімічну речовину, яка є складовою частиною системи, може бути виділене з неї і існувати самостійно.

     Числом  компонентів(К) називають найменше число індивідуальних хімічних речовин(компонентів), необхідне для утворення усіх фаз термодинамічної системи і математичного вираження складу будь-якої фази. З визначень компонента і числа компонентів виходить:1. Кожен компонент може змінюватися і існувати незалежно від інших компонентів.

     2. Не всі складові частини системи  враховуються при розрахунку  числа компонентів. Наприклад,  у водному розчині кухонної  солі є декілька видів часток (Н₂0, NаС1, Н ⁺, С1^-, OН ^-), але два компоненти (Н₂0 і NаС1).

     3. Якщо речовини, що утворюють систему, не взаємодіють один з одним, то число компонентів дорівнює числу R речовин в системі. При хімічних взаємодіях K менше R на число зв'язків g. Величина g дорівнює числу незалежних рівнянь реакції. Наприклад, в системі СаС0з = Са0 + С0₂

     g = l, а K= 3-1 = 2.

     За  кількістю компонентів розрізняють  однокомпонентні, двохкомпонентні і т. д. системи.

     Стан  системи характеризують числом ступенів свободи (варіантність).

     Число ступенів свободи (С)- це число термодинамічних параметрів, що визначають стан системи, які можна довільно змінювати (незалежно один від одного) без зміни числа фаз в системі.

     До  таких параметрів відносять зовнішні фактори (температуру, тиск) і внутрішні (концентрації компонентів). За кількістю  ступенів свободи системи поділяють на інваріантні (С = 0), моноваріантні (С = 1), біваріантні (С = 2) і т. д. Наприклад, при постійному тиску насичений розчин солі має один ступінь свободи. Кожній довільно обраній температурі відповідає строго визначена концентрація насиченого розчину.

     При зміні зовнішніх параметрів (р, Т) рівновагу в системі порушується; при цьому змінюються концентрації компонентів або зникають старі  і з'являються нові фази. Зміни  в системі відбуваються до встановлення нової рівноваги. Розрахунок числа  ступенів свободи в системі залежно від кількості компонентів і від зміни зовнішніх параметрів роблять за допомогою правила фаз Гіббса (1876): 

С = К-Ф+ 1 

     де  С - число ступенів свободи або  мінімальне число факторів, які можна  змінювати незалежно один від  одного без порушення рівноваги даної системи;

     Ф—число фаз системи;

     k - число незалежних компонентів системи;  

     У рівноважній системі, на яку з зовнішніх факторів впливають тільки температура і тиск, число ступенів свободи дорівнює числу компонентів мінус число фаз, плюс два.

Якщо із зовнішніх параметрів на систему впливає тільки температура, а тиск постійно (або навпаки), то правило фаз має вигляд

     С = К-Ф+ 1.

 

2. Однокомпонентні  системи. Застосування  правила фаз Гіббса  до однокомпонентних  систем.

      Однокомпонентна система – це система яка складається з індивідуальної речовини, яка може існувати в різних агрегатних станах (твердому, рідкому, пароподібному) і в різних твердих станах – алотропічних модифікаціях (наприклад сірка моноклінна, ромбічна, карбон у вигляді аморфного вугілля, графіту, алмазу тощо).

      Стан  однокомпонентної системи визначають дві незалежні зміні, зазвичай тиск і температура. Всі інші змінні є  функціями цих двох. Так, мольний  об’єм визначається рівнянням стану  та ін.

      Для однокомпонентних систем правило фаз  приймає вигляд: 

С=1- ф + 2 = 3-ф 

     Якщо  мінімальне число ступенів свободи (С_min) дорівнює нулю (система інваріантна), то, згідно формули С=1- ф + 2 = 3-ф, Ф = 3. У рівноважній однокомпонентній системі можуть співіснувати максимально три фази (тверда, рідка, газоподібна). Максимальним числом ступенів свободи (С_max) система володіє при Ф = _min, яке не може бути менше одиниці. Отже, С_max = 1 - 1 +2 = 2. Цими ступенями свободи є тиск і температура.

 

3. Діаграма стану  чистої речовини 

     Для зображення однокомпонентної системи досить плоского креслення з обома ступенями свободи на координатних осях. Це, очевидно, температура і тиск, тому щов такій системі поняття концентрації позбавлене сенсу.

     Розглянемо  приклад води. При наявності лише однієї фази (лід, вода або пар) S=2, так що можна міняти довільно температуру і тиск.

     Наприклад, можна мати пар при будь-якій температурі  і під будь-яким тиском, якщо тільки не перейдена та межа при якій, настає конденсація. На рис. Область пару відповідає обмеженій ділянці, в межах якого стан можна довільно змінювати. Така система з двома ступенями свободи називається диваріантною.

Рис 1. Діаграма стану води

Теж саме можна  повторити відносно води та льоду, кожному  з яких відповідає певна частина площини.

     Якщо  стан системи дійшов межі поділу між  ділянками, то розпочинається формування другої фази. Наприклад, при охолодженні  пару під тиском 1ат до 100 ^ОС починається його конденсація, а при нагріванні льоду під тиском 1ат до 0 ^ОС починається його плавлення. Поява другої фази зменшує кількість ступенів свободи до одиниці. Тепер уже тиск і температура не можуть бути одночасно довільно вибраними. Якщо дві фази знаходяться один з одним

в рівновазі, то кожній температурі відповідає свій тиск, і навпаки. Стани співіснування двох фаз позначені на малюнку лініями; відповідні їм системи з одним ступенем свободи називаються моноваріантними. Крива ОС називається

кривої тиску  насиченої пари над рідкою водою, ВО - кривої плавлення та АТ - кривий сублімації (сублімації) або кривої тиску насиченої пари над льодом. Як було тільки що показано, правило фаз дає більш загальне і простедоказ цього положення. Воно, однак, не дає вказівок на форму цих кривих. Для їх обчислення служить рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Всі три криві сходяться в точці О, де три фази співіснують у рівновазі один з одним. Поява третьої фази

зменшує число  ступенів свободи до нуля (s = 3 - ф= 3-3), тобто трифазна система може існувати лише за однієї певної сукупності температури і тиску (для води: +0,0076 ° С і 0,457 мм рт. ст.). Така система називається нон варіантною, а точка О-потрійною точкою. Правило фаз доводить, що в однокомпонентній системі три криві саме сходяться в одній точці, але не можуть перетинатися, тому що в точці перетину ми мали б співіснування чотирьох фаз, що, як вище було показано, неможливо.

     Для повноти слід зазначити, що вода може існувати також у перегрітому і переохолодженому стані, у останньому стані може існувати і пар. Цим термодинамічно нерівноважним метастабільним (лабільним) станам, порушуваних випадковими зовнішніми причинами, наприклад розмішуванням, відповідають свої лінії розділу фаз (на кресленні-пунктир). До них правило фаз не застосовується, так як воно відноситься лише до рівноваги.

     Діаграма  стану води ускладнюється при переході до високих тисків. Дослідження Таммана показали, що лід може існувати у вигляді декількох алотропних форм, які позначаються римськими цифрами. Повна діаграма стану води згідно з даними Бріджмена (1912), що охоплює більш широку область тиску і температури, зображена на рис. 2. Нижній правий ділянку її у збільшеному вигляді зображений на рис. 1. У цій, на перший погляд складній, діаграмі легко розібратися, якщо її розглядати, як комбінацію кількох простих діаграм розглянутого вище типу. Згідно з правилом фаз в ній криві ніде не перетинаються, а є лише потрійні точки.

 

Рис 2. Діаграма стану води при високих тисках. 
Висновок

     В роботі було висвітлено поняття та уявлення про фазові рівноваги однокомпонентних систем. Наведено формулювання правила фаз Гіббса: у рівноважній системі, на яку з зовнішніх факторів впливають тільки температура і тиск, число ступенів свободи дорівнює числу компонентів мінус число фаз, плюс два.

     Розглянуто  поняття фази. Фаза – це  частина  гетерогенної системи, обмежена поверхнею розділу. що характеризується у відсутністю зовнішнього поля сил однаковими хімічними, фізичними і термодинамічними властивостями в усіх своїх точках. Кожна фаза гомогенна, але не безперервна, тобто може складатися з окремих кристалів. По числу фаз системи ділять на однофазні, двофазні, трьохфазні і багатофазні.

     Наведено  приклади побудови  діаграми стану  води. Також розглянуто діаграму стану  води при високих тисках. Вказано  що вода може існувати також у перегрітому  і переохолодженому стані, у останньому стані може існувати і пар.