Komponenty (termodynamika)

Komponenty (v termodynamice a chemii)  jsou nezávislé složky látky systému, tedy jednotlivé chemické látky , které jsou nezbytné a dostatečné ke složení daného termodynamického systému [1] , umožňují oddělení od systému a nezávislou existenci mimo něj [ 2] [3] [4] [5] . Změny hmotností složek vyjadřují všechny možné změny chemického složení systému a hmotnost ( látkové množství , počet částic ) každé látky vybrané jako složka nezávisí na hmotnostech ( látková množství , počet částic) jiných složek [6][2] .

Nezávislost složek znamená, že pokud jsou jejich hmotnosti nebo koncentrace použity jako nezávislé termodynamické proměnné , pak lze:

Zejména při zvažování fázových rovnováh a fázových reakcí v jednosložkových systémech je přípustné ignorovat rozdíl v chemickém složení koexistujících fází [7] (pokud jsou buď hmotnosti složek použity jako nezávislé proměnné, nebo stejné jednotka vzorce se bere pro všechny fáze při výpočtu počtu molových složek [8] ).

Historické pozadí

Koncept systémových komponent zavedl JW Gibbs [9] v letech 1875-1876.

Složky a složky hmoty

Substancí [10] termodynamického systému jsou všechny jednotlivé látky , které lze izolovat ze systému a existují mimo něj. V ruské literatuře se z lingvistických a stylistických důvodů [11] poměrně často odchylují od terminologie IUPAC a nehovoří o konstitučních látkách a složkách, ale o složkách a nezávislých složkách [12] [13] [14] .

Počet komponent systému je menší než počet jeho složek o počet komunikačních rovnic (pokud existují) mezi hmotnostmi těchto látek [15] [16] . Nejmenší počet součástí je jedna.

V nejjednodušším případě fyzikálního systému , na koncentrace jednotlivých složek, v jejichž fázích neexistují žádná omezení, jsou složkami všechny složky [6] (výše uvedená omezení nezahrnují podmínku rovnosti 1 součtu zlomky složek v každé fázi, protože to již bylo použito při odvození fázového pravidla Gibbs).

Pro chemický systém rovnice spojení mezi koncentracemi jednotlivých látek zahrnují rovnice popisující nezávislé chemické reakce [17] v tomto systému. Pokud nejsou na složení chemického systému uvalena další omezení, pak se počet složek systému rovná počtu konstitučních látek, sníženému o počet nezávislých chemických reakcí [6] . Je v zásadě jedno, kterou z chemických reakcí zařadit do množiny nezávislých reakcí – důležité je, aby tato množina byla kompletní. Výběr složek, aniž by byl zcela libovolný - vzorová atomová matice (atomová matice, molekulární matice, kompoziční matice) pro složky musí být čtvercová , její velikost (pořadí) musí odpovídat počtu složek a determinant musí být nenulový ( matice vzorcových složek ) [18] [19] [20] , - je určena praktickou účelností a umožňuje variace z důvodu pohodlí při řešení určitých specifických problémů.

Podmínky materiálové izolace [21] kladené na systém jako celek se nevztahují na výše uvedené vazebné rovnice a neovlivňují výpočet počtu komponent v systému.

Dodatečné komunikační rovnice by neměly zahrnovat hmotnosti (množství) látek v různých fázích. Jinými slovy, koncentrace (frakce) pouze těch látek, které jsou součástí jedné fáze, by se měly objevit v doplňkové rovnici komunikace. Konkrétní příklady dalších vazebných rovnic (počáteční podmínky [22] ) v chemických systémech jsou uvedeny níže.

Klasifikace systémů podle počtu komponent

Podle počtu komponent jednosložkové (unární [23] ), dvousložkové (dvojité, binární), třísložkové (trojsložkové) a vícesložkové systémy [2] [24] .

Příklady výběru komponent a zjištění jejich počtu pro fyzické systémy

Homogenní systémy : atmosférický vzduch (hlavními složkami jsou dusík , kyslík , argon , oxid uhličitý , voda ve formě páry ); destilovaná voda (jedinou složkou je voda); mořská voda (hlavními složkami jsou voda, chlorid sodný a další soli ); diamant (jedinou složkou je metastabilní alotropní forma uhlíku ); grafit (jedinou složkou je stabilní alotropní modifikace uhlíku).

Heterogenní systémy : systém tvořený ledem , kapalnou vodou a vodní párou (třífázový jednosložkový systém); soustava vodní páry - roztok kuchyňské soli ve vodě (částice - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - atd., konstituční látky, dále jsou to složky - voda a chlorid sodný, dvou- komponentní dvoufázový systém).

Příklady výběru složek a zjištění jejich počtu pro chemické systémy

Dvousložkový čtyřfázový systém : ledový systém - nasycený roztok síranu měďnatého CuSO 4  - sraženina síranu měďnatého CuSO 4 • 5H 2 O - vodní pára. Tři složkové látky ( sůl , její hydrát a voda), jedna chemická reakce

- tvorba hydrátu ze soli a vody, 3 - 1 \u003d 2 složky (voda a sůl).

Jednosložkový dvoufázový systém : uzavřený systém pevného chloridu amonného , ​​který se po zahřátí reakcí na plynný amoniak a chlorovodík disociuje.

Tři složkové látky, jedna chemická reakce, jedna další podmínka (rovnost koncentrací NH 3 a HCl v plynné fázi jako výsledek uzavřeného systému), 3 - 2 = 1 složka. Pokud je systém otevřený a koncentrace NH 3 a HCl v plynné fázi jsou libovolné, pak bude počet složek roven 2, tj. systém bude dvousložkový [25] [26] [27] .

Dvousložkový třífázový systém : otevřený systém oxidu vápenatého a oxidu uhličitého tvořící reakcí uhličitan vápenatý

Tři základní látky, jedna chemická reakce, dvě složky. Jako složky si můžete vybrat libovolné dvě ze tří látek účastnících se chemické reakce. Na základě formulace problému je vhodné jako složky zvolit výchozí látky (CaO a CO 2 ) .

Dvousložkový třífázový systém : uzavřený systém pevného uhličitanu vápenatého, který se při zahřátí disociuje na pevný oxid vápenatý a plynný oxid uhličitý reakcí získávání nehašeného vápna pražením vápence

Tři složkové látky, jedna chemická reakce, neexistují žádné další spojovací rovnice (protože v každé fázi je jedna látka), 3 - 1 = 2 složky [25] [22] [28] [29] . Zřejmým závěrem jsou tři jednotlivé látky, jedna chemická reakce, jedna dodatečná vazebná rovnice (rovnost počtu molů CaO a CO 2 v důsledku uzavřené soustavy), počet složek 3 - 2 = 1, tj. soustava je jednosložkový [30]  - je nesprávný.

Závislost počtu složek na podmínkách chemické reakce

Počet komponent, které je třeba vzít v úvahu, závisí na podmínkách, ve kterých se systém nachází. Změnou podmínek je možné iniciovat nebo inhibovat chemické reakce a tím změnit počet vazeb vnucených změnám hmotností látek [6] . Takže systém vodík H 2  - kyslík O 2  - voda H 2 O je obecně dvousložkový, protože reakce je možná

Při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku však tato reakce neprobíhá ani v přítomnosti katalyzátoru [31] . Proto se za těchto podmínek systém chová jako třísložkový fyzikální, nikoli jako dvousložkový chemický. Totéž platí pro reakci mezi dvěma hlavními složkami vzduchu - dusíkem N 2 a kyslíkem O 2

takže směs dusíku a kyslíku je obvykle považována za dvousložkový fyzikální systém.

Závislost počtu komponent na problémovém prohlášení

Třída systému (fyzikální nebo chemické) a počet v něm zohledněných komponent může záviset na formulaci problému včetně požadované přesnosti konečných výsledků [6] . S ohledem na termodynamický cyklus parního stroje lze napájecí vodu považovat za jednosložkový fyzikální systém. Kontrola nečistot ve stejné vodě (když je nutné vzít v úvahu látky přítomné ve velmi malých množstvích) znamená, že napájecí voda je považována za vícesložkový systém.

Poznámky

  1. ↑ komponenta // Zlatá kniha IUPAC byla archivována 8. března 2015 na Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 3 Komponenty (v termodynamice a chemii) // Velká sovětská encyklopedie, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , s. 311.
  4. ↑ Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 306.
  5. ↑ Fyzická encyklopedie. Svazek 2, 1990 , str. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Chemická encyklopedie, díl 3, 1992 , str. 98.
  7. ↑ Například krystalická síra se skládá z molekul S 8 , roztavená síra obsahuje molekuly řetězců různých délek a v parách síry je rovnováha mezi molekulami S 8 , S 6 , S 4 a S 2 .
  8. ↑ Storonkin A. V., Termodynamika heterogenních systémů, díly 1-2, 1967 , s. 28.
  9. ↑ Gibbs, J.W., Termodynamika. Statistická mechanika, 1982 .
  10. ↑ složka // Zlatá kniha IUPAC archivována 10. července 2015 na Wayback Machine .
  11. ↑ Je-li u základní látky požadováno uvádět její hmotnost, nevznikají žádné konflikty: mluví se o „hmotnosti základní látky“. Je-li pro složkovou látku nutné uvést její množství v molech , pak spojením dvou správných standardních pojmů – „ množství látky “ a „látka složky“ – do formálně správné fráze „látkové množství základní látky“ vede k ztráta jasnosti vyžadovaná od vědeckého stylu prezentace a jednodušší obrat řeči „množství základní látky“ pro lidi daleko od chemie ztrácí vědeckou jednoznačnost kvůli existenci každodenního výkladu pojmů, které jsou v něm obsaženy. Na druhou stranu, když mluvíme o "množství složky", poněkud snižuje riziko nepochopení diskutovaného konceptu.
  12. ↑ Komponenty // Velká ruská encyklopedie, vol. 14, 2009, str. 700 . Získáno 19. března 2017. Archivováno z originálu dne 20. března 2017.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Termodynamika a molekulová fyzika, 2005 , s. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Termodynamika, 1971 , s. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Kurz fyzikální chemie, svazek 1, 1970 , s. 331.
  16. ↑ A. Munster, Chemická termodynamika, 1971 , str. 15-16.
  17. ↑ Chemické reakce, jejichž rovnice nejsou lineárními kombinacemi rovnic jiných chemických reakcí současně probíhajících v systému.
  18. ↑ Eremin V. V. et al., Základy fyzikální chemie, 2005 , str. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. et al., Termodynamika pro chemiky, 2004 , str. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., Základy termodynamiky, 1987 , s. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Termodynamika heterogenních systémů, díly 1-2, 1967 , s. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberty R., Fyzikální chemie, 1978 , str. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Chemická termodynamika, 1963 , s. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , s. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V.I., Eremina E.A. Phase rule (jednosložkové systémy), 1999 Archivní kopie ze dne 3. října 2015 na Wayback Machine .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalašnikov Ya.A., Pravidlo fází, 1964 , s. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Chemická termodynamika, 1963 , s. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Kurz fyzikální chemie, svazek 1, 1970 , s. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalašnikov Ya.A., Pravidlo fází, 1964 , s. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Chemie, 1986 , s. 164-165.
  31. ↑ Směsi vodíku a kyslíku jsou za těchto podmínek výbušné, ale k zahájení příslušné chemické reakce je nutná iniciace, například elektrickou jiskrou .

Literatura