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

${\displaystyle {\mathsf {CuSO_{4}+5H_{2}O\rightleftarrows CuSO_{4}\cdot 5H_{2}O}}}$

— 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

${\displaystyle {\mathsf {NH_{4}Cl\rightleftarrows NH_{3}+HCl}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightleftarrows CaCO_{3}}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}\rightleftarrows CaO+CO_{2}}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}+O_{2}\rightleftarrows 2H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}+O_{2}\rightleftarrows 2NO}}}$

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

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 .