Alkatrészek (termodinamika)

A komponensek (a termodinamikában és a kémiában) a rendszer anyagának  független alkotóelemei , vagyis olyan egyedi kémiai anyagok , amelyek szükségesek és elegendőek egy adott termodinamikai rendszer összeállításához [ 1] , lehetővé teszik a rendszertől való elválasztást és a rendszeren kívüli önálló létezést. 2] [3] [4] [5] . Az összetevők tömegének változása a rendszer kémiai összetételének minden lehetséges változását kifejezi , és az egyes komponensként kiválasztott anyagok tömege ( anyagmennyiség , részecskék száma ) nem függ a tömegektől (anyagmennyiségek, szám részecskék) egyéb komponensek [6] [2] .

A komponensek függetlensége azt jelenti, hogy ha tömegüket vagy koncentrációjukat független termodinamikai változóként használjuk , akkor:

Különösen az egykomponensű rendszerek fázisegyensúlyának és fázisreakcióinak figyelembevételekor megengedhető, hogy figyelmen kívül hagyjuk az egymás mellett létező fázisok kémiai összetételének különbségét [7] (ha vagy a komponensek tömegét használjuk független változóként, vagy ugyanazt) képletegységet minden fázisra figyelembe vettünk a mólkomponensek számának kiszámításakor [8] ).

Történelmi háttér

A rendszerelemek fogalmát JW Gibbs [9] vezette be 1875-1876-ban.

Az anyag összetevői és alkotóelemei

A termodinamikai rendszert alkotó anyagok [10] mind olyan egyedi anyagok , amelyek a rendszertől elkülöníthetők, és azon kívül is léteznek. Az orosz irodalomban nyelvi és stilisztikai okokból [11] meglehetősen gyakran eltérnek az IUPAC terminológiájától, és nem alkotó anyagokról és komponensekről beszélnek, hanem komponensekről és független komponensekről [12] [13] [14] .

A rendszerelemek száma kisebb, mint az alkotó anyagok száma az ezen anyagok tömegei közötti kommunikációs egyenletek számával (ha vannak ilyenek) [15] [16] . A legkisebb számú komponens egy.

Egy fizikai rendszer legegyszerűbb esetben az alkotó anyagok koncentrációira, amelyek fázisaiban nincs korlátozás, az összetevők mindegyike alkotó anyag [6] (a fenti megszorítások nem tartalmazzák az összeg 1. egyenlőségének feltételét). a komponensek töredékei az egyes fázisokban, mivel azt már felhasználták a Gibbs fázisszabály levezetésében).

Egy kémiai rendszer esetében az alkotó anyagok koncentrációi közötti kapcsolati egyenletek tartalmaznak független kémiai reakciókat leíró egyenleteket [17] ebben a rendszerben. Ha nem írnak elő további korlátozásokat a kémiai rendszer összetételére, akkor a rendszer komponenseinek száma megegyezik az alkotó anyagok számával, csökkentve a független kémiai reakciók számával [6] . Elvileg nem mindegy, hogy a kémiai reakciók közül melyiket vegyük bele a független reakciók halmazába – fontos, hogy ez a halmaz teljes legyen. A komponensek kiválasztása anélkül, hogy teljesen önkényes lenne - a komponensek képlet szerinti atomi mátrixának (atommátrix, molekuláris mátrix, összetételi mátrix) négyzet alakúnak kell lennie , méretének (sorrendjének) meg kell egyeznie a komponensek számával, és a determináns nem lehet nulla ( képletkomponens mátrix ) [18] [19] [20] , - a gyakorlati célszerűség határozza meg, és kényelmi okokból variálást tesz lehetővé bizonyos konkrét problémák megoldásában.

A rendszer egészére vonatkozó anyagi elkülönítési feltételek [21] nem vonatkoznak a fent említett csatolási egyenletekre, és nem befolyásolják a rendszeren belüli komponensek számának kiszámítását.

A további kommunikációs egyenletek nem tartalmazhatják a különböző fázisokban lévő anyagok tömegét (mennyiségét). Más szóval, csak azon anyagok koncentrációi (frakciói) jelenjenek meg a kommunikációs egyenletben, amelyek egy fázis részét képezik. Az alábbiakban konkrét példákat adunk további csatolási egyenletekre (kezdeti feltételek [22] ) kémiai rendszerekben.

A rendszerek osztályozása a komponensek száma szerint

A komponensek számától függően egykomponensű (unáris [23] ), kétkomponensű (dupla, bináris), háromkomponensű (hármas) és többkomponensű rendszerek [2] [24] .

Példák az összetevők kiválasztására és számuk megtalálására fizikai rendszerek esetén

Homogén rendszerek : légköri levegő (a fő összetevők a nitrogén , oxigén , argon , szén-dioxid , víz gőz formájában ); desztillált víz (az egyetlen összetevő a víz); tengervíz (a fő összetevők a víz, a nátrium-klorid és más sók ); gyémánt (az egyetlen komponens a szén metastabil allotróp formája ); grafit (az egyetlen komponens a szén stabil allotróp módosulata).

Heterogén rendszerek : jégből , folyékony vízből és vízgőzből álló rendszer (háromfázisú egykomponensű rendszer); vízgőz rendszer - konyhasó vizes oldata (részecskék - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - stb., alkotó anyagok, ezek is komponensek - víz és nátrium-klorid, két- kétfázisú rendszer).

Példák az összetevők kiválasztására és számuk megtalálására kémiai rendszerekben

Kétkomponensű négyfázisú rendszer : jégrendszer  - réz-szulfát CuSO 4 telített oldata - réz-szulfát CuSO 4 csapadéka • 5H 2 O - vízgőz. Három alkotóelem ( só , hidrátja és víz), egy kémiai reakció

- hidrát képződése sóból és vízből, 3-1 \u003d 2 komponens (víz és só).

Egykomponensű kétfázisú rendszer : szilárd ammónium-klorid zárt rendszere , amely a reakció során ammóniává és hidrogén -kloriddá hevítéskor disszociál .

Három alkotó anyag, egy kémiai reakció, egy további feltétel (az NH 3 és a HCl koncentrációjának egyenlősége a gázfázisban a zárt rendszer eredményeként), 3 - 2 = 1 komponens. Ha a rendszer nyitott, és a gázfázisban az NH 3 és a HCl koncentrációja tetszőleges, akkor a komponensek száma 2 lesz, azaz a rendszer kétkomponensű [25] [26] [27] .

Kétkomponensű háromfázisú rendszer : kalcium-oxid és szén-dioxid nyitott rendszere , amely a reakció során kalcium-karbonátot képez

Három összetevőből álló anyag, egy kémiai reakció, két komponens. Összetevőként a kémiai reakcióban részt vevő három anyag közül bármelyik kettő közül választhat. A probléma megfogalmazása alapján célszerű a kiindulási anyagokat (CaO és CO 2 ) komponensként választani.

Kétkomponensű, háromfázisú rendszer : szilárd kalcium-karbonát zárt rendszere , amely hevítéskor szilárd kalcium-oxiddá és gáznemű szén-dioxiddá bomlik a mészkő pörkölésével történő égetett mész előállításának reakciójával.

Három alkotó anyag, egy kémiai reakció, nincsenek további kapcsolódási egyenletek (mert minden fázisban egy anyag van), 3 - 1 = 2 komponens [25] [22] [28] [29] . A nyilvánvaló következtetés három különálló anyag, egy kémiai reakció, egy további kötésegyenlet (a CaO és a CO 2 mólszámának egyenlősége a zárt rendszer eredményeként), a komponensek száma 3 - 2 = 1, azaz a rendszer egykomponensű [30]  – hibás.

A komponensek számának függősége a kémiai reakció körülményeitől

A figyelembe veendő alkatrészek száma a rendszer elhelyezkedésétől függ. A feltételek megváltoztatásával lehetőség nyílik kémiai reakciók beindítására vagy gátlására, és ezáltal az anyagok tömegének változására kifejtett kötések számának megváltoztatására [6] . Tehát a hidrogén H 2  - oxigén O 2  - víz H 2 O rendszer általában kétkomponensű, mivel a reakció lehetséges

Azonban szobahőmérsékleten és légköri nyomáson ez a reakció még katalizátor jelenlétében sem megy végbe [31] . Ezért ilyen körülmények között a rendszer úgy viselkedik, mint egy háromkomponensű fizikai, és nem úgy, mint egy kétkomponensű kémiai. Ugyanez igaz a levegő két fő komponense - a nitrogén N 2 és az oxigén O 2 - közötti reakcióra is

így a nitrogén-oxigén keveréket általában kétkomponensű fizikai rendszernek tekintik.

Az összetevők számának függősége a problémafelvetéstől

A rendszer osztálya (fizikai vagy kémiai) és a benne figyelembe vett komponensek száma függhet a probléma megfogalmazásától, beleértve a végső eredmények megkövetelt pontosságát is [6] . Tehát a gőzgép termodinamikai ciklusát figyelembe véve a tápvíz egykomponensű fizikai rendszernek tekinthető. Ugyanannak a víznek a szennyeződések ellenőrzése (amikor nagyon kis mennyiségben jelen lévő anyagokat is figyelembe kell venni) azt jelenti, hogy a betáplált vizet többkomponensű rendszernek kell tekinteni.

Jegyzetek

  1. ↑ komponens // IUPAC Gold Book archiválva : 2015. március 8. a Wayback Machine -nél .
  2. ↑ 1 2 3 Összetevők (a termodinamikában és a kémiában) // Great Soviet Encyclopedia, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , p. 311.
  4. ↑ Fizika. Nagy enciklopédikus szótár, 1998 , p. 306.
  5. ↑ Fizikai enciklopédia. 2. kötet, 1990 , p. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Chemical Encyclopedia, 3. évf., 1992 , p. 98.
  7. ↑ Például a kristályos kén S 8 molekulákból áll , az olvadt kén különböző hosszúságú láncmolekulákat tartalmaz, a kéngőzben pedig egyensúly van az S 8 , S 6 , S 4 és S 2 molekulák között .
  8. ↑ Storonkin A. V., Heterogén rendszerek termodinamikája, 1-2. rész, 1967 , p. 28.
  9. ↑ Gibbs, J. W., Thermodynamics. Statisztikai Mechanika, 1982 .
  10. ↑ összetevő // IUPAC Gold Book archiválva : 2015. július 10., a Wayback Machine -nél .
  11. ↑ Ha egy összetevő anyagnál meg kell adni a tömegét, akkor nem merülnek fel konfliktusok: az "összetevő anyag tömegéről" beszélünk. Ha egy összetevő anyagnál a mennyiségét mólban kell feltüntetni , akkor két helyes szabványfogalom - " anyag mennyisége " és "összetevő anyag" - összevonása egy formálisan helyes "összetevő anyag mennyisége" kifejezéssel egy a tudományos előadásmódtól megkívánt egyértelműség elvesztése , és a kémiától távol állók számára egy egyszerűbb beszédfordulat „az alkotóanyag mennyisége” elveszti tudományos egyértelműségét a benne szereplő kifejezések mindennapos értelmezése miatt. . Másrészt, ha az "összetevő mennyiségéről" beszélünk, akkor némileg csökkenti a szóban forgó fogalom félreértésének kockázatát.
  12. ↑ Összetevők // Great Russian Encyclopedia, 14. évf., 2009, p. 700. . Letöltve: 2017. március 19. Az eredetiből archiválva : 2017. március 20.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Termodinamika és molekuláris fizika, 2005 , p. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Termodinamika, 1971 , p. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. és társai, Fizikai kémia kurzusa, 1. kötet, 1970 , p. 331.
  16. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 15-16.
  17. ↑ Kémiai reakciók, amelyek egyenletei nem lineáris kombinációi a rendszerben egyidejűleg lezajló egyéb kémiai reakciók egyenleteinek.
  18. ↑ Eremin V.V. et al., Fundamentals of Physical Chemistry, 2005 , p. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. et al., Thermodynamics for chemists, 2004 , p. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., A termodinamika alapjai, 1987 , p. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Heterogén rendszerek termodinamikája, 1-2. rész, 1967 , p. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberti R., Fizikai kémia, 1978 , p. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Kémiai termodinamika, 1963 , p. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , p. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V. I., Eremina E. A. Fázisszabály (egykomponensű rendszerek), 1999. 2015. október 3-i archív másolat a Wayback Machine -nél .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Fázisok szabálya, 1964 , p. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Kémiai termodinamika, 1963 , p. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. és társai, Fizikai kémia kurzusa, 1. kötet, 1970 , p. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Fázisok szabálya, 1964 , p. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Kémia, 1986 , p. 164-165.
  31. ↑ A hidrogén és az oxigén keverékei ilyen körülmények között robbanásveszélyesek, de a kérdéses kémiai reakció elindításához például elektromos szikra általi iniciáció szükséges .

Irodalom