Фазовые равновесия и диаграммы состояния однокомпонентных систем

В зависимости от температуры и давления, для данного вещества устойчивой может оказаться газообразная, жидкая или одна из твердых фаз. Например, для воды, находящейся при атмосферном давлении, ниже 0°С устойчив лед, от 0 до 100°С — жидкость, а выше 100°С — водяной пар. Вещество может образовывать несколько, твердых фаз, различающихся по кристаллической структуре и устойчивых в разных условиях. Так, при низких давлениях устойчивым состоянием углерода является графит, а при высоких (> 10 Па) – алмаз.

Равновесия, возникающие при взаимном превращении различных фаз вещества: плавлении, кипении, сублимации, изменении кристаллической структуры и т. д., называются фазовыми равновесными.

Сведения о фазовых равновесиях для данного вещества принято представлять в графической форме в виде диаграммы состояния.

Ограничимся простейшим случаем диаграмм состояния однокомпонентных, т. е. образованных одним веществом. Оно должно быть устойчиво в рассматриваемом диапазоне температур и давлений, т. е. не претерпевать разложения или иных химических превращений.

Примерами могут служить вода, иод, сера, углерод, диоксид кремния и т д.

Диаграмма состоит и однокомпонентной системы описывает зависимость ее фазового состояния от температуры и давления, т. е. показывает, какая фаза (или какие фазы) устойчива при данной температуре и давлении. Рассмотрим общие принципы строения этих диаграмм на примере диаграммы состояния воды в области не очень высоких и не очень низких («земных») температур и давлений (рис. ЗА).

Температуру (7) на диаграммах состояния принято откладывать по оси абсцисс, а давление (р) — по оси ординат. Обе эти переменные являются независимыми. Каждая точка на диаграмме описывает равновесное фазовое состояние системы при соответствующих ей температуре и давлении. Этим диаграмма состояния отличается от обычного графика, который описывает зависимость функции, отложенной по оси у от аргумента, отложенного по оси х.

Каждой из возможных фаз (для воды это лед, жидкая вода и пар) соответствуют однофазные области, в пределах которых устойчива определенная фаза данного вещества. На границах между однофазными областями (на рисунке они обозначены линиями) граничащие фазы имеют одинаковую устойчивость, поэтому им соответствуют двухфазные состояния.

Находясь в любой точке внутри какой-либо однофазной области, мы можем изменять как температуру, так и давление, не покидая при этом ее пределов. Поэтому про однофазные состояния однокомпонентной системы говорят, что они имеют две степени свободы. Если же система находится на границе между двумя однофазными областями, то двухфазное состояние будет сохраняться только при перемещении вдоль линии границы, в противном случае система станет однофазной. Иными словами, в двухфазных состояниях одну из переменных (температуру или давление) можно изменять произвольно, но другая при этом должна иметь строго определенное значение. Поэтому про двухфазные состояния однокомпонентной системы говорят, что они имеют только одну степень свободы.

Существует также точка, в которой соприкасаются все три однофазные области, т. е. находятся в равновесии лед, вода и пар. Это точка называется тройной; ей соответствует температура 273,16 К и давление 614 Па (0,006 атм.). Трехфазное состояние, соответствующее этой точке, степеней свободы не имеет, так как при любом изменении температуры или давления система станет либо двух-, либо однофазной.

Строение диаграмм состояния определяет правило фаз:

С + Ф = Л + Nвн

где С — число степеней свободы, соответствующее данной точке диаграммы, Ф — число фаз, устойчивых в этой точке, К — число компонентов, из которых состоит система, a Nвн— число внешних, т. е. произвольно задаваемых экспериментатором, переменных, влияющих на фазовые равновесия в системе.

В рассматриваемых нами примерах число компонентов К = 1, а число внешних переменных Nвн= 2 (Т и р), поэтому формулу, выражающую правило фаз, удобно переписать в следующем виде:

С=3-Ф.

С помощью этой формулы можно получить те же значения числа степеней свободы одно-, двух- и трехфазных состояний, к которым мы пришли выше с помощью логических рассуждений.

Конечно, проанализировать такую простую диаграмму состояний, как у воды, можно и не прибегая к правилу фаз. Однако в случае более сложных систем это правило становится удобным инструментом их исследования, В частности, с помощью правила фаз можно сразу же заключить, что равновесное сосуществование четырех и более фаз в однокомпонентной системе невозможно, т. к. при этом число степеней свободы стало бы отрицательным. Поэтому при наличии в системе четырех и более устойчивых фаз возникает несколько трехфазных равновесий.

На диаграмме состояния воды, как и на других диаграммах однокомионентных систем, присутствует так называемая критическая точка. В ней газ и жидкость становятся неотличимы друг от друга, и линия, разделяющая жидкую и газообразную фазы, обрывается. Для воды критическая точка соответствует 374,15°С и 2,21 ТО Па (218,5 атм); такие условия достижимы в природе, например, в районах вулканической деятельности.

Диаграмма состояния серы, отличается от вышеприведенных наличием у серы двух твердых фаз: ромбической серы, устойчивой при комнатной температуре, и моноклинной серы, устойчивой при повышенных температурах. Обе фазы состоят из молекул и различаются характером их упаковки в кристаллах. Так как в соответствии с правилом фаз в однокомпонентной системе четыре фазы не могут находиться в равновесии, четыре однофазных области на этой диаграмме разделены шестью линиями, пересечения которых образуют три тройные точки (1,2 и 3).

Еще одной интересной особенностью серы является то, что равновесия с участием жидкой и газообразной фаз устанавливаются быстро, в то время как процесс превращения твердых фаз друг в друга занимает несколько часов. Поэтому при быстром нагревании ромбической серы моноклинная модификация не успевает образоваться, а в той области температур и давлений, где она должна быть устойчивой, происходит превращение ромбической серы в зависимости от давления непосредственно в жидкость или газ. Пунктирные линии на рис. 3.6 соответствуют условиям плавления и сублимации ромбической серы. Эти линии являются продолжением линий устойчивых двухфазных состояний в область не успевшей образоваться фазы.

 

 

Билет 20. Растворы: твердые, жидкие, газообразные. Общие закономерности образования растворов. Способы выражения их состава. Растворимость. Насыщенные и пересыщенные растворы. Влияние Т и Р на растворимость веществ.

 

Раствором называется содержащая два или более компонента гомогенная система, состав которой может измениться в определенных

пределах. Компоненты - вещества,колличество которых можно менять независимо друг от друга. компоненты растворов могут быть

самыми разнообразными: тв., жид., газооб., орг., неорг., полярные и неполярные, и поэтому их свойства чрезвычайно разнообразны.

однако для всех р-ров существует ряд общих закономерностей.

в зависимости от агрегатного состояния различают тв., жид., газообр. р-ры.

в газообразных р-рах при не очень высоком давлении взаимодействия между отдельными молекулами весьма слабы и свойства

смешивающихся газов практически не изменяются. поэтому обычно их рассматривают просто как смеси.

при образовании твердых р-ров атомы, молекулы или ионы одного из компонентов либо заполняют пустоты в кристаллической решетке

другого компонента, либо замещают его атомы, молекулы или ионы, т. е. занимают их места. в первом случае образуют твердые р-ры

внедрения, например р-р водорода в металличском палладии. во втором - твердые р-ры замещения, например, р-р цинка и меди

(латунь).

в практической деятельности чаще всего имеют дело с жидкими р-рами. они могут быть получены при р-нии газов, твердых, или жидкостей

в жидком р-рителе и подразделяются на водные и неводные (спиртовые, аммиачные).

коллойдные системы внешне могут быть похожи на р-ры. их часто называют коллойдными р-рами, хотя они не являются р-рами в обычном

смысле этого слова. один из компонентов коллойдной системы образует частицы дисперсной фазы. размеры этих частиц очень малы, но

все же каждая из них состоит из большого количества атомов или молекул, поэтому коллоидные системы, в отличие от растворов, гетерогенны.

Фаза - часть системы с одинаковыми интенсивными свойствами

интенсивные параметры от размера системы не зависят: темп-ра, давление, концентрация. экстенсивные - зависят от размера системы: масса, объем, ню.

 

Один из компонентов раствора принято называть растворителем, а остальные - растворенными веществами. Если компоненты раствора находятся в разных агрегатных состояниях, растворителем считается тот из них, агрегатное состояние которого при образовании раствора не изменяется. Например, в жидком

сиропе, полученном из воды и сахара, растворителем является вода. Если же компоненты находятся в одном и том же агрегатном состоянии, выбор растворителя

делается из соображений удобства или даже просто по традиции. Чаще всего растворителем называют тот компонент, которого больше. Если же одним из компонентов жидкого раствора является вода, то именно ее, вне зависимости от количества, принято считать растворителем. Например, смесь из 70% уксусной кислоты

и 30% воды (ее обычно называют «уксусная эссенция») считают раствором уксусной КИСЛОТЫ в воде, а не воды в уксусной кислоте. Говорят также и о 96%-ном

растворе спирта в воде, хотя количество растворенного вещества в этом случае значительно превышает количество растворителя - воды. в твердых растворах растворителем считают компонент, имеющий такую же кристаллическую структуру как и раствор.

некоторые вещества могут смешиваться друг с другом неограниченно - вода и этиловый спирт, вода и серная кислота, бензол и гексан. в этом случае говорят о неограниченной взаимной растворимости компонентов. ожнако гораздо чаще встречается ограниченная растворимость, когда вещества смешиваются друг с другом только до известного предела. в этом случае при постепенном добавлении в-ва к р-рителю наступает момент, когда дальнейшее растворение становится невозможным. такой р-р считаю насыщеннным, а его концентрация - растворимостью этого вещества в данном растворителе. она зависит от температуры.

 

например: в закрытой колбе жидкий аммиак находится в равновесии с газообразными его парами. Если растворитель и растворенное вещество являются жидкостями, ограниченно растворимыми друг в друге, то равновесие устанавливается между двумя взаимно насыщенными растворами. Например, в системе, образованной из воды и диэтилового эфира (C2HS)20, нижний слой представляет собой насыщенный раствор эфира в воде, а верхний - насыщенный раствор воды в эфире.

При 200С в 100 г вещества нижнего слоя содержится 6,9 г эфира, а в 100 г верхнего -1,4 г воды. Наконец, в насыщенных растворах твердых вешеств возникает равновесие

между раствором и осадком, например, между раствором сахара в воде икристаллическим сахаром. При растворении ряда солей в осадке находится не чистое вещество, а его соединение с растворителем. Так, насыщенный раствор CUS04 при комнатной температуре находится в равновесии с кристаллической фазой состава CuS04'5H20 (такие соединения называются кристаллогидратами). В некоторых случаях удается получить раствор, концентрация которого превышает растворимость данного вещества. Такой раствор называется пересыщеным. Он неустойчив, поэтому при небольшом внешнем воздействии (например,при встряхивании) избыток растворенного вещества выделяется и раствор приходит В равновесие с выделившимся осадком, Т.е. становится насыщенным. Кристаллизацию растворенного вещества из пересыщенного раствора также можно вызвать, внеся в него затравку - небольшой Кристаллик этого вещества.

Среди растворителей и растворяемых веществ принято выделять полярные и неполярные. Наиболее типичным полярным растворителем является вода. Так-же полярны, хотя и в меньшей степени, спирты (метанол, этанол) и ацетон. Мало-полярен диэтиловый эфир (С2Н5)20, а углеводороды, например, бензол и гексан,неполярны. К полярным растворяемым веществам относятся кислоты, основания и соли, а также органические вещества, молекулы которых способны участвовать в образовании водородных связей, например, глюкоза и мочевина. Неполярными растворяемыми веществами являются: среди неорганических соединений - простые вещества молекулярного строения (кислород, азот, галогены, сера S8, белый фосфор Р4) и соединения элементов, мало различающихся по электроотрицательности (СО2, N20, метан), а среди органических соединений - те, в молекулах которых имеются длинные углеВОдородные цепочки (например, жиры).

Полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях, а непопярные - в неполярных. Полярные LiCl и глюкоза лучше всего растворимы о воде, хуже - в менее полярных растворителях и практически нерастворимы в неполярных; белый Фосфор, напротив, намного лучше растворяется в неполярных бензоле и гептане, чем в ПОлярных растворителях - воде и этиловом спирте.

способы выражения состава раствора (ФОРМУЛЫ НОРМАЛЬНО НЕ ЗАЛИВАЮТСЯ, ПОЭТОМУ ПИШУ СЛОВАМИ!)

для выражения концентрации растворов используется большое количество способов. Определим важнейшие из них. Массовая доля (омега) представляет собой отношение массы растворениого вещества к общей массе раствора: омега = масса растворенного в-ва деленная на массу раствора.

Массовая доля является безразмерной величиной. Довольно часто ее выражают в процентах и называют процентной концентрацией.

В химической практике наиболее удобна и чаще всего используется молярная концентрация, или молярность (С), которая равна числу молей растворенного вещества, содержащихея в 1 л раствора: С = ню растворенного в-ва делить на объем раствора. размерность - моль на литр.

Однако при использовании молярной концентрации необходимо помнить, что объем раствора зависит от температуры, поэтому количество растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора, при разных температурах будет различным. Поэтому, если в процессе эксперимента температура изменяется, лучше пользоваться моляльной концентрацией или моляльностью раствора (С с индексом м), которая определяется как число молей вещества, растворенного в 1 кг растворителя: С = масса р-реного в-ва делить на массу р-рителя.

Масса не зависит ни от температуры, ни от давления, поэтому растворы одинаковой молялъности, приготовленные при любой температуре, абсолютно идентичны друг другу. Размерность молялъности - моль/кг растворителя.

В теории растворов наиболее естественной и удобной единицей концентрации является мольная доля (х). Мольная доля - безразмерная величина, представляющая собой отношение числа молей данного компонента к общему числу молей всех компонентов раствора: мольная доля (Х) = ню итое (с индексом i) делить на сумму ню итых.

Удобство этого способа выражения концентрации связано с тем, что величина Х непосредственно показывает, как соотносятся количества частиц компонентов, образующих раствор. При этом нет необходимости различать растворитель и растворенное вещество.

 

 

О высокой прочности гидратных оболочек ряда ионов свидетельствует и тот

факт, что при кристаллизации многих солей из водных растворов в состав кри-

сталлов входят не простые, а гидратированные ионы. Образующиеся вещества,

например, CuS04'5H20, СаО2'6Н20, MgS04'7H20, как уже отмечалось, называ-

ются кристаллогидратами.

Чем ниже полярность растворителя, тем меньше его способность сольватиро-

вать ионы. Поэтому ионные вещества растворяются в спирте и ацетоне хуже, чем в

воде, и практически совсем не растворяютсЯ в неполярныx растворителях

. ПО той же причине хлороводород не диссоциирует на ионы при раство-

рении, например, в бензоле, молекулы которого не в состоянии образовать доста-

точно прочные сольваты с ионами Н+ и Cl- и тем самым скомпенсировать затраты

энергии на разрушение молекул НС1.

 

4.4. Влияние температуры на растворимость веществ

Растворение чаще всего сопровождается заметным тепловым эффектом, по-

этому в соответствии с принципом Ле Шателье растворимость веществ зависит от

температуры.

Например, растворимость практически всех газообразных веществ в воде

уменьшается с ростом температуры, т.к. процесс этот экзотермический.

Что касается твердых веществ, их растворимость чаще всего сопровождается

поглощением теплоты (дельта Н растворения > О), хотя существует немало и прОТИвополож-

ных примеров. На рис. 4.3 графически представлены температурные зависимости

растворимости нескольких Солей (КNОз, NaCI, РГ2(S04)з, Na2S04) в воде.

При растворении нитрата калия наблюдается большой эндотермический эффект, поэтому раствори-

мость КNОз с ростом температуры увеличивается очень существенно: с 15,6 г при

О град. цельс.до 83,4 г на 100 г воды при 50град. цельс.

Тепловой эффект при растворении хлорида натрия очень мал, СОответствен-

но, растворимость NaCI от температуры практически не зависит (35,7 r на 100 г

воды при Оград. цельс.,36,8 г при 50град. цельс.).

Растворение РГ2(S04)З.СОпровождается выделением теплоты, что ПРиводит к

уменьшению его растворимости с ростом температуры: она сосставляет 19,8 г в

10г воды при Оград. цельс. и 6,4 г при 50град. цельс.

 

Температурная зависимость растворимости сульфата натрия имеет более

сложный характер: до температуры 32 0С она резко возрастает, а выше - плавно

снижается. Это связано с тем, что при температуре ниже 32 0С

в равновесии с раствором находится кристал-

логидрат состава Na2S04' 10Н20, энтальпия растворения которого,

имеет большую положительную величину. Соответственно, раствори-

мость при повышении температуры сильно увеличивается.

Выше 32 0С кристаллогидрат теряет устойчивость, и в равновесии с раствором

оказывается уже безводная соль. При ее растворении,

теплота выделяется, из-за чего растворимость сульфата натрия при

повышении температуры уменьшается. Поскольку энтальпия растворения безвод-

ного Na2S04 невелика, выше 32 0С его растворимость от температуры зависит сла-

бо.