Componente (termodinamică)

Componentele (în termodinamică și chimie)  sunt constituenți independenți ai substanței sistemului, adică substanțe chimice individuale care sunt necesare și suficiente pentru a alcătui un anumit sistem termodinamic [1] , permit separarea de sistem și existența independentă în afara acestuia [ 1]. 2] [3] [4] [5] . Modificările maselor componentelor exprimă toate modificările posibile ale compoziției chimice a sistemului, iar masa ( cantitatea de substanță , numărul de particule ) fiecărei substanțe selectate ca componentă nu depinde de mase (cantități de substanță, număr). de particule) din alte componente [6][2] .

Independența componentelor înseamnă că dacă masele sau concentrațiile lor sunt utilizate ca variabile termodinamice independente , atunci se poate:

În special, atunci când se iau în considerare echilibrele de fază și reacțiile de fază în sisteme cu o singură componentă, este permis să se ignore diferența dintre compozițiile chimice ale fazelor coexistente [7] (dacă fie masele componentelor sunt utilizate ca variabile independente, fie aceleași unitatea de formulă este luată pentru toate fazele la calcularea numărului de moli componentă [8] ).

Context istoric

Conceptul de componente ale sistemului a fost introdus de JW Gibbs [9] în 1875-1876.

Componentele și constituenții materiei

Substanțele constitutive [10] ale unui sistem termodinamic sunt toate substanțele individuale care pot fi izolate de sistem și există în afara acestuia. În literatura rusă, din motive lingvistice și stilistice [11] , destul de des se abat de la terminologia IUPAC și nu vorbesc despre substanțe și componente constitutive, ci despre componente și componente independente [12] [13] [14] .

Numărul componentelor sistemului este mai mic decât numărul substanțelor sale constitutive cu numărul de ecuații de comunicare (dacă există) între masele acestor substanțe [15] [16] . Cel mai mic număr de componente este unul.

În cel mai simplu caz al unui sistem fizic , asupra concentrațiilor de substanțe constitutive în fazele cărora nu există restricții, componentele sunt toate substanțele constitutive [6] (restricțiile de mai sus nu includ condiția egalității 1 a sumei fracțiile componentelor din fiecare fază, deoarece a fost deja utilizată în derivarea regulii fazei Gibbs).

Pentru un sistem chimic , ecuațiile de legătură dintre concentrațiile substanțelor constitutive includ ecuații care descriu reacții chimice independente [17] în acest sistem. Dacă nu sunt impuse restricții suplimentare asupra compoziției sistemului chimic, atunci numărul de componente ale sistemului este egal cu numărul de substanțe constitutive, redus cu numărul de reacții chimice independente [6] . Nu contează în principiu care dintre reacțiile chimice să includă în setul de reacții independente - este important ca acest set să fie complet. Alegerea componentelor fără a fi complet arbitrară - matricea atomică formulată (matricea atomică, matricea moleculară, matricea compoziției) pentru componente trebuie să fie pătrată , dimensiunea (ordinea) trebuie să se potrivească cu numărul de componente, iar determinantul trebuie să fie diferit de zero. ( matricea componentelor formulei ) [18] [19] [20] , - este determinată de oportunitatea practică și permite variația din motive de comoditate în rezolvarea anumitor probleme specifice.

Condițiile de izolare a materialului [21] impuse sistemului în ansamblu nu se aplică ecuațiilor de cuplare menționate mai sus și nu afectează calculul numărului de componente din cadrul sistemului.

Ecuațiile de comunicare suplimentare nu ar trebui să includă mase (cantități) de substanțe în diferite faze. Cu alte cuvinte, concentrațiile (fracțiile) doar acelor substanțe care fac parte dintr-o fază ar trebui să apară în ecuația suplimentară de comunicare. Mai jos sunt date exemple specifice de ecuații de cuplare suplimentare (condiții inițiale [22] ) în sisteme chimice.

Clasificarea sistemelor în funcție de numărul de componente

În funcție de numărul de componente, sisteme monocomponente (unare [23] ), bicomponente (duble, binare), tricomponente (triple) și multicomponente [2] [24] .

Exemple de selectare a componentelor și de găsire a numărului acestora pentru sistemele fizice

Sisteme omogene : aer atmosferic (componentele principale sunt azotul , oxigenul , argonul , dioxidul de carbon , apa sub forma de abur ); apă distilată (singura componentă este apa); apa de mare (componentele principale sunt apa, clorura de sodiu și alte săruri ); diamant (singura componentă este o formă alotropă metastabilă a carbonului ); grafit (singura componentă este o modificare alotropică stabilă a carbonului).

Sisteme eterogene : un sistem format din gheață , apă lichidă și vapori de apă (sistem trifazat monocomponent); sistem de vapori de apă - o soluție de sare comună în apă (particule - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - , etc., substanțe constitutive, acestea sunt, de asemenea, componente - apă și clorură de sodiu, două- sistem bifazat component).

Exemple de alegere a componentelor și găsirea numărului acestora pentru sisteme chimice

Sistem cu două componente cu patru faze : sistem de gheață - o soluție saturată de sulfat de cupru CuSO 4  - un precipitat de sulfat de cupru CuSO 4 • 5H 2 O - vapori de apă. Trei substanțe constitutive ( sare , hidratul său și apă), o reacție chimică

- formarea unui hidrat din sare și apă, 3 - 1 \u003d 2 componente (apă și sare).

Sistem monofazat cu două componente : un sistem închis de clorură de amoniu solidă , care se disociază atunci când este încălzit în amoniac gazos și clorură de hidrogen prin reacție

Trei substanțe constitutive, o reacție chimică, o condiție suplimentară (egalitatea concentrațiilor de NH 3 și HCl în faza gazoasă ca urmare a sistemului închis), 3 - 2 = 1 component. Dacă sistemul este deschis și concentrațiile de NH3 și HCl în faza gazoasă sunt arbitrare, atunci numărul componentelor va fi egal cu 2 , adică sistemul va fi bicomponent [25] [26] [27] .

Sistem trifazat cu două componente : un sistem deschis de oxid de calciu și dioxid de carbon care formează carbonat de calciu prin reacție

Trei substanțe constitutive, o reacție chimică, două componente. Ca componente, puteți alege oricare două dintre cele trei substanțe care participă la reacția chimică. Pe baza formulării problemei, este recomandabil să alegeți substanțele inițiale (CaO și CO 2 ) ca componente .

Sistem trifazat cu două componente : un sistem închis de carbonat de calciu solid, care, atunci când este încălzit, se disociază în oxid de calciu solid și dioxid de carbon gazos prin reacția de obținere a varului nestins prin prăjirea calcarului

Trei substanțe constitutive, o reacție chimică, nu există ecuații de conexiune suplimentare (pentru că există o substanță în fiecare fază), 3 - 1 = 2 componente [25] [22] [28] [29] . Concluzia evidentă este trei substanțe individuale, o reacție chimică, o ecuație suplimentară de legătură (egalitatea numărului de moli de CaO și CO 2 ca rezultat al sistemului închis), numărul de componente 3 - 2 = 1, adică sistemul este monocomponentă [30]  - este incorectă.

Dependența numărului de componente de condițiile reacției chimice

Numărul de componente care trebuie luate în considerare depinde de condițiile în care se află sistemul. Prin modificarea condițiilor, este posibilă inițierea sau inhibarea reacțiilor chimice și prin aceasta modificarea numărului de legături impuse modificărilor maselor de substanțe [6] . Deci, sistemul hidrogen H 2  - oxigen O 2  - apă H 2 O este în general bicomponent, deoarece reacția este posibilă

Cu toate acestea, la temperatura camerei și presiunea atmosferică , această reacție nu are loc nici măcar în prezența unui catalizator [31] . Prin urmare, în aceste condiții, sistemul se comportă ca un fizic cu trei componente, și nu ca unul chimic cu două componente. Același lucru este valabil și pentru reacția dintre cele două componente principale ale aerului - azotul N 2 și oxigenul O 2

astfel încât amestecul de azot-oxigen este de obicei considerat ca un sistem fizic cu două componente.

Dependența numărului de componente de enunțul problemei

Clasa sistemului (fizică sau chimică) și numărul de componente luate în considerare în acesta pot depinde de formularea problemei, inclusiv de precizia necesară a rezultatelor finale [6] . Deci, având în vedere ciclul termodinamic al unui motor cu abur , apa de alimentare poate fi considerată un sistem fizic monocomponent. Verificarea aceleiași ape pentru impurități (când este necesar să se țină cont de substanțe prezente în cantități foarte mici) implică faptul că apa de alimentare este considerată ca un sistem multicomponent.

Note

  1. ↑ component // IUPAC Gold Book Arhivat 8 martie 2015 la Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 3 Componente (în termodinamică și chimie) // Marea Enciclopedie Sovietică, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , p. 311.
  4. ↑ Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 306.
  5. ↑ Enciclopedie fizică. Volumul 2, 1990 , p. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Enciclopedia chimică, vol. 3, 1992 , p. 98.
  7. ↑ De exemplu, sulful cristalin este format din molecule S 8 , sulful topit conține molecule de lanț de lungimi diferite, iar în vaporii de sulf există un echilibru între moleculele S 8 , S 6 , S 4 și S 2 .
  8. ↑ Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, parts 1-2, 1967 , p. 28.
  9. ↑ Gibbs, J.W., Thermodynamics. Mecanica statistică, 1982 .
  10. ↑ constituent // IUPAC Gold Book Arhivat 10 iulie 2015 la Wayback Machine .
  11. ↑ Dacă pentru o substanță constitutivă este necesară indicarea masei acesteia, atunci nu apar conflicte: se vorbește de „masa substanței constitutive”. Dacă pentru o substanță constitutivă este necesară indicarea cantității sale în moli , atunci combinarea a doi termeni standard corecti - „ cantitate de substanță ” și „substanță componentă” - într-o expresie corectă formal „cantitate de substanță dintr-o substanță constitutivă” duce la o pierderea clarității cerute din stilul științific de prezentare și o simplă întorsătură a discursului „cantitatea de substanță constitutivă” pentru oamenii departe de chimie își pierde neambiguitatea științifică din cauza existenței unei interpretări de zi cu zi a termenilor incluși în ea. Pe de altă parte, vorbind despre „cantitatea componentei”, se reduce oarecum riscul de înțelegere greșită a conceptului în discuție.
  12. ↑ Componente // Marea Enciclopedie Rusă, vol. 14, 2009, p. 700. . Preluat la 19 martie 2017. Arhivat din original la 20 martie 2017.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Termodinamică și fizică moleculară, 2005 , p. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Termodinamică, 1971 , p. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curs de chimie fizică, vol. 1, 1970 , p. 331.
  16. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 15-16.
  17. ↑ Reacții chimice, ale căror ecuații nu sunt combinații liniare ale ecuațiilor altor reacții chimice care apar simultan în sistem.
  18. ↑ Eremin V.V. și colab., Fundamentals of Physical Chemistry, 2005 , p. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. și colab., Thermodynamics for chemists, 2004 , p. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., Fundamentele termodinamicii, 1987 , p. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, parts 1-2, 1967 , p. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberty R., Physical Chemistry, 1978 , p. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , p. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , p. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V.I., Eremina E.A. Phase rule (sisteme cu o singură componentă), 1999 Copie de arhivă din 3 octombrie 2015 la Wayback Machine .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Regula fazelor, 1964 , p. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , p. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curs de chimie fizică, vol. 1, 1970 , p. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Regula fazelor, 1964 , p. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Chimie, 1986 , p. 164-165.
  31. ↑ Amestecurile de hidrogen și oxigen sunt explozive în aceste condiții, dar inițierea, de exemplu, de către o scânteie electrică , este necesară pentru a începe reacția chimică în cauză .

Literatură