Interested Article - Компоненты (термодинамика)
- 2020-04-22
- 1
Компоненты (в термодинамике и химии) — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества , которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы , допускают выделение из системы и независимое существование вне её . Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса ( количество вещества , число частиц ) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества, числа частиц) других компонентов .
Независимость компонентов означает, что если их массы или концентрации использовать в качестве независимых термодинамических переменных , то можно:
- не принимать во внимание химические реакции при термодинамическом рассмотрении систем и процессов;
- применять правило фаз при рассмотрении гетерогенных равновесий .
В частности, при рассмотрении фазовых равновесий и фазовых реакций в однокомпонентных системах допустимо игнорировать разницу в химических составах сосуществующих фаз (если использовать в качестве независимых переменных либо массы компонентов, либо принимать для всех фаз одну и ту же формульную единицу при вычислении числа молей компонента ).
Историческая справка
Понятие о компонентах системы было введено Дж. У. Гиббсом в 1875—1876 годах.
Компоненты и составляющие вещества
Составляющими веществами термодинамической системы называют все индивидуальные вещества , которые могут быть выделены из системы и существовать вне её. В отечественной литературе по языково-стилистическим причинам достаточно часто отступают от ИЮПАКовской терминологии и говорят не о составляющих веществах и компонентах, а о компонентах и независимых компонентах .
Число компонентов системы меньше числа составляющих её веществ на число уравнений связи (если таковые имеются) между массами этих веществ . Наименьшее число компонентов — один.
В простейшем случае физической системы , на концентрации составляющих веществ в фазах которой не наложены ограничения, компонентами являются все составляющие вещества (к упомянутым ограничениям не относится условие равенства 1 суммы долей компонентов в каждой фазе, поскольку оно уже было использовано при выводе правила фаз Гиббса).
Для химической системы в число уравнений связи между концентрациями составляющих веществ входят уравнения, описывающие независимые химические реакции в этой системе. Если на состав химической системы не наложены дополнительные ограничения, то число компонентов системы равно числу составляющих веществ, уменьшенному на число независимых химических реакций . Не имеет принципиального значения, какие из химических реакций включить в набор независимых реакций — важно, чтобы этот набор был полон. Выбор компонентов, не будучи полностью произвольным — формульная атомная матрица (атомная матрица, молекулярная матрица, матрица состава) для компонентов должна быть квадратной , её размер (порядок) должен совпадать с числом компонентов, а детерминант должен быть отличен от нуля ( формульная компонентная матрица ) , — определяется практической целесообразностью и допускает варьирование по соображениям удобства решения тех или иных конкретных задач.
Условия материальной изоляции , накладываемые на систему в целом, не относятся к упоминавшимся выше уравнениям связи и не влияют на подсчёт числа компонентов внутри системы.
В дополнительные уравнения связи не должны входить массы (количества) веществ, находящихся в разных фазах. Другими словами, в дополнительном уравнении связи должны фигурировать концентрации (доли) только тех веществ, которые входят в состав одной фазы. Конкретные примеры дополнительных уравнений связи (начальных условий ) в химических системах приведены ниже.
Классификация систем по числу компонентов
В зависимости от числа компонентов однокомпонентные (унарные ), двухкомпонентные (двойные, бинарные), трёхкомпонентные (тройные) и многокомпонентные системы .
Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для физических систем
Гомогенные системы : атмосферный воздух (основные компоненты — азот , кислород , аргон , углекислый газ , вода в виде пара ); дистиллированная вода (единственный компонент — вода); морская вода (основные компоненты — вода, хлорид натрия и другие соли ); алмаз (единственный компонент — метастабильная аллотропная форма углерода ); графит (единственный компонент — стабильная аллотропная модификация углерода).
Гетерогенные системы : система, образованная льдом , жидкой водой и водяным паром (трёхфазная однокомпонентная система); система водяной пар — раствор поваренной соли в воде (частицы — H 2 O, Na + , Cl – , H 3 O + , OH – и др., составляющие вещества, они же компоненты — вода и хлорид натрия, система двухкомпонентная двухфазная).
Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для химических систем
Двухкомпонентная четырёхфазная система : система лёд — насыщенный раствор сульфата меди CuSO 4 — осадок медного купороса CuSO 4 •5H 2 O — водяной пар. Три составляющих вещества ( соль , её гидрат и вода), одна химическая реакция
— образование гидрата из соли и воды, 3 — 1 = 2 компонента (вода и соль).
Однокомпонентная двухфазная система : закрытая система из твёрдого хлорида аммония , диссоциирующего при нагревании на газообразные аммиак и хлористый водород по реакции
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное условие (равенство концентраций NH 3 и HCl в газовой фазе как следствие закрытости системы), 3 — 2 = 1 компонент. Если же система открытая и концентрации NH 3 и HCl в газовой фазе произвольны, то число компонентов будет равно 2, т. е. система будет двухкомпонентной .
Двухкомпонентная трёхфазная система : открытая система из оксида кальция и диоксида углерода , образующих карбонат кальция по реакции
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, два компонента. В качестве компонентов можно выбрать любые два из трёх принимающих участие в химической реакции веществ. Исходя из постановки задачи, в качестве компонентов целесообразно выбрать (CaO и СО 2 ).
Двухкомпонентная трёхфазная система : закрытая система из твёрдого карбоната кальция, диссоциирующего при нагревании на твёрдый оксид кальция и газообразный диоксид углерода по реакции получения негашёной извести обжигом известняка
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, дополнительные уравнения связи отсутствуют (поскольку в каждой фазе по одному веществу), 3 — 1 = 2 компонента . Напрашивающийся вывод — три индивидуальных вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное уравнение связи (равенство чисел молей CaO и СО 2 как следствие закрытости системы), число компонентов 3 — 2 = 1, т. е. система однокомпонентна — неверен.
Зависимость числа компонентов от условий протекания химической реакции
Число принимаемых во внимание компонентов зависит от условий, в которых находится система. Изменяя условия, можно инициировать или тормозить химические реакции и тем самым менять число связей, накладываемых на изменения масс веществ . Так, система водород Н 2 — кислород О 2 — вода Н 2 О в общем случае является двухкомпонентной, потому что возможна реакция
Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении эта реакция не идёт даже в присутствии катализатора . Поэтому в данных условиях система ведёт себя как трёхкомпонентная физическая, а не как двухкомпонентная химическая. Сказанное справедливо и для реакции между двумя основными компонентами воздуха — азотом N 2 и кислородом О 2
так что азотно-кислородную смесь обычно рассматривают как двухкомпонентную физическую систему.
Зависимость числа компонентов от постановки задачи
Класс системы (физическая или химическая) и число учитываемых в ней компонентов может зависеть от постановки задачи, в том числе от требуемой точности конечных результатов . Так, рассматривая термодинамический цикл паровой машины , можно считать однокомпонентной физической системой. Проверка этой же воды на содержание примесей (когда требуется учитывать вещества, присутствующих в очень малых количествах) подразумевает, что питательную воду рассматривают как многокомпонентную систему.
Примечания
- от 8 марта 2015 на Wayback Machine .
- ↑ Дата обращения: 25 апреля 2015. Архивировано из 5 марта 2021 года.
- , с. 311.
- , с. 306.
- , с. 430.
- ↑ , с. 98.
- Например, кристаллическая сера состоит из молекул S 8 , расплавленная сера содержит цепные молекулы разной длины, а в парах серы имеет место равновесие между молекулами S 8 , S 6 , S 4 и S 2 .
- , с. 28.
- .
- от 10 июля 2015 на Wayback Machine .
- Если для составляющего вещества требуется указать его массу, то никаких коллизий не возникает: говорят о «массе составляющего вещества». Если же для составляющего вещества нужно указать его количество в молях , то объединение двух правильных стандартных терминов — « количество вещества » и «составляющее вещество» — в формально правильное словосочетание «количество вещества составляющего вещества» приводит к потере ясности, требуемой от научного стиля изложения , а более простой оборот речи «количество составляющего вещества» для людей, далёких от химии, теряет свою научную однозначность из-за существования обиходно-бытовой трактовки входящих в него терминов. С другой стороны, говоря о «количестве компонента», несколько снижают риск неправильного понимания обсуждаемого понятия.
- Дата обращения: 19 марта 2017. 20 марта 2017 года.
- , с. 489.
- , с. 230.
- , с. 331.
- , с. 15—16.
- Химические реакции, уравнения которых не являются линейными комбинациями уравнений других одновременно протекающих в системе химических реакций.
- , с. 110, 119—120.
- , с. 82.
- , с. 176—178.
- , с. 121.
- ↑ , с. 93.
- , с. 209.
- , с. 133.
- ↑ от 3 октября 2015 на Wayback Machine .
- , с. 135—136.
- , с. 326—327.
- , с. 333.
- , с. 136.
- , с. 164—165.
- Смеси водорода с кислородом в этих условиях взрывоопасны, но для запуска рассматриваемой химической реакции требуется инициация, например, электрической искрой .
Литература
- Компоненты (в термодинамике и химии) // Кварнер — Конгур. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — ( Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 12).
- Акопян А. А. Химическая термодинамика. — М. : Высшая школа, 1963. — 527 с.
- Бажин Н. М., Иванченко В. А., Пармон В. Н. Термодинамика для химиков. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Химия; КолосС, 2004. — 416 с. — (Для высшей школы). — ISBN 5-9532-0239-3 , 5-9819-005-7.
- Воронин Г. Ф. Основы термодинамики. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 192 с.
- Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1969. — 408 с.
- Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М. : Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
- Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика / Отв. ред. Д. Н. Зубарев. — М. : Наука, 1982. — 584 с. — (Классики науки).
- Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М. : Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8 .
- Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / Пер. с англ. — М. : Мир, 1978.
- Древинг В. П., Калашников Я. А. Правило фаз с изложением основ термодинамики. — 2-е изд. перераб. и доп. — М. : Изд-во Московского ун-та, 1964. — 456 с.
- Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А. и др. Основы физической химии. Теория и задачи. — М. : Экзамен, 2005. — 481 с. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-472-00834-4 .
- Еремин Е. Н. Основы химической термодинамики. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Высшая школа, 1978. — 392 с.
- Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М. : Мир, 1971. — 296 с.
- Николаев Г. П., Лойко А. Э. Техническая термодинамика. — Екатеринбург: УрФУ, 2013. — 227 с.
- Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М. : Наука, 1971. — 376 с.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М. : Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5 .
- Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 с.
- Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .
- Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия , 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — 704 с. — ISBN 5-85270-061-4 .
- Фролов В. В. Химия. — М. : Высшая школа, 1986. — 544 с.
- Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1990. — Т. 2: Даффа реакция — Меди сульфат. — 672 с. — ISBN 5-85270-035-5 .
- Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1992. — Т. 3: Меди сульфиды — Полимерные красители. — 640 с. — ISBN 5-85270-039-8 .
- 2020-04-22
- 1