Komponenter (termodynamik)

Komponenter (inom termodynamik och kemi)  är oberoende beståndsdelar av systemets substans, det vill säga individuella kemiska substanser som är nödvändiga och tillräckliga för att sammansätta ett givet termodynamiskt system [1] , tillåter separation från systemet och oberoende existens utanför det [ 2] [3] [4] [5] . Förändringar i komponenternas massor uttrycker alla möjliga förändringar i systemets kemiska sammansättning , och massan ( mängd av ämne , antal partiklar ) av varje ämne som väljs som en komponent beror inte på massorna (mängder av ämne, antal av partiklar) av andra komponenter [6] [2] .

Komponenternas oberoende innebär att om deras massor eller koncentrationer används som oberoende termodynamiska variabler , så kan man:

I synnerhet när man överväger fasjämvikter och fasreaktioner i enkomponentsystem är det tillåtet att ignorera skillnaden i den kemiska sammansättningen av samexisterande faser [7] (om antingen massan av komponenterna används som oberoende variabler eller samma formelenhet tas för alla faser vid beräkning av antalet mol komponent [8] ).

Historisk bakgrund

Konceptet med systemkomponenter introducerades av JW Gibbs [9] 1875-1876.

Materiens beståndsdelar och beståndsdelar

Ingående ämnen [10] i ett termodynamiskt system är alla enskilda ämnen som kan isoleras från systemet och existera utanför det. I rysk litteratur avviker de av språkliga och stilistiska skäl [11] ganska ofta från IUPAC- terminologin och talar inte om ingående ämnen och komponenter, utan om komponenter och oberoende komponenter [12] [13] [14] .

Antalet systemkomponenter är mindre än antalet av dess ingående ämnen med antalet kommunikationsekvationer (om några) mellan massorna av dessa ämnen [15] [16] . Det minsta antalet komponenter är en.

I det enklaste fallet av ett fysiskt system , på koncentrationerna av ingående ämnen i de faser som det inte finns några begränsningar för, är komponenterna alla ingående ämnen [6] (restriktionerna ovan inkluderar inte villkoret för likhet 1 av summan av bråkdelen av komponenter i varje fas, eftersom den redan har använts vid härledningen av fasregeln Gibbs).

För ett kemiskt system inkluderar ekvationerna för samband mellan koncentrationerna av ingående ämnen ekvationer som beskriver oberoende kemiska reaktioner [17] i detta system. Om ytterligare restriktioner inte införs för det kemiska systemets sammansättning, är antalet komponenter i systemet lika med antalet ingående ämnen, reducerat med antalet oberoende kemiska reaktioner [6] . Det spelar i princip ingen roll vilken av de kemiska reaktionerna som ska inkluderas i uppsättningen av oberoende reaktioner - det är viktigt att denna uppsättning är komplett. Valet av komponenter utan att vara helt godtyckligt - den formeliska atommatrisen ( atommatris, molekylmatris, sammansättningsmatris) för komponenterna måste vara kvadratisk , dess storlek (ordning) måste matcha antalet komponenter och determinanten måste vara icke-noll ( formelkomponentmatris ) [18] [19] [20] , - bestäms av praktisk ändamålsenlighet och tillåter variation av bekvämlighetsskäl för att lösa vissa specifika problem.

Villkoren för materialisolering [21] som åläggs systemet som helhet gäller inte de ovan nämnda kopplingsekvationerna och påverkar inte beräkningen av antalet komponenter i systemet.

Ytterligare kommunikationsekvationer bör inte inkludera massor (mängder) av ämnen i olika faser. Med andra ord bör koncentrationerna (fraktionerna) av endast de ämnen som ingår i en fas visas i den ytterligare kommunikationsekvationen. Specifika exempel på ytterligare kopplingsekvationer (initialförhållanden [22] ) i kemiska system ges nedan.

Klassificering av system enligt antalet komponenter

Beroende på antalet komponenter, en-komponent (unär [23] ), två-komponent (dubbel, binär), tre- komponent (trippel) och multikomponent system [2] [24] .

Exempel på att välja komponenter och hitta deras nummer för fysiska system

Homogena system : atmosfärisk luft (huvudkomponenterna är kväve , syre , argon , koldioxid , vatten i form av ånga ); destillerat vatten (den enda komponenten är vatten); havsvatten (huvudkomponenterna är vatten, natriumklorid och andra salter ); diamant (den enda komponenten är en metastabil allotrop form av kol ); grafit (den enda komponenten är en stabil allotrop modifiering av kol).

Heterogena system : ett system som bildas av is , flytande vatten och vattenånga (tre-fas enkomponentsystem); vattenångsystem - en lösning av vanligt salt i vatten (partiklar - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - , etc., ingående ämnen, de är också komponenter - vatten och natriumklorid, två- komponent tvåfassystem).

Exempel på val av komponenter och att hitta deras nummer för kemiska system

Tvåkomponents fyrfassystem : issystem - en mättad lösning av kopparsulfat CuSO 4  - en fällning av kopparsulfat CuSO 4 • 5H 2 O - vattenånga. Tre ingående ämnen ( salt , dess hydrat och vatten), en kemisk reaktion

- bildandet av ett hydrat från salt och vatten, 3 - 1 \u003d 2 komponenter (vatten och salt).

Enkomponent tvåfassystem : ett slutet system av fast ammoniumklorid , som dissocierar när det upphettas till gasformig ammoniak och väteklorid genom reaktionen

Tre ingående ämnen, en kemisk reaktion, ett ytterligare villkor (likheten mellan koncentrationerna av NH 3 och HCl i gasfasen som ett resultat av det slutna systemet), 3 - 2 = 1 komponent. Om systemet är öppet och koncentrationerna av NH 3 och HCl i gasfasen är godtyckliga, kommer antalet komponenter att vara lika med 2, d.v.s. systemet kommer att vara tvåkomponent [25] [26] [27] .

Tvåkomponents trefassystem : ett öppet system av kalciumoxid och koldioxid som bildar kalciumkarbonat genom reaktionen

Tre ingående ämnen, en kemisk reaktion, två komponenter. Som komponenter kan du välja två av de tre ämnen som deltar i den kemiska reaktionen. Baserat på problemformuleringen är det lämpligt att välja de ursprungliga ämnena (CaO och CO 2 ) som komponenter .

Tvåkomponents trefassystem : ett slutet system av fast kalciumkarbonat, som vid upphettning dissocierar till fast kalciumoxid och gasformig koldioxid genom att reaktionen erhåller bränd kalk genom att rosta kalksten

Tre ingående ämnen, en kemisk reaktion, det finns inga ytterligare sambandsekvationer (eftersom det finns ett ämne i varje fas), 3 - 1 = 2 komponenter [25] [22] [28] [29] . Den uppenbara slutsatsen är tre enskilda ämnen, en kemisk reaktion, en ytterligare bindningsekvation (likhet mellan antalet mol CaO och CO 2 som ett resultat av det slutna systemet), antalet komponenter 3 - 2 = 1, dvs systemet är enkomponent [30]  - är felaktig.

Beroende av antalet komponenter på förhållandena för den kemiska reaktionen

Antalet komponenter som ska beaktas beror på de förhållanden som systemet befinner sig i. Genom att ändra förutsättningarna är det möjligt att initiera eller hämma kemiska reaktioner och därigenom ändra antalet bindningar som åläggs förändringar i ämnens massor [6] . Så, systemet väte H 2  - syre O 2  - vatten H 2 O är i allmänhet tvåkomponent, eftersom reaktionen är möjlig

Men vid rumstemperatur och atmosfärstryck fortskrider denna reaktion inte ens i närvaro av en katalysator [31] . Därför, under dessa förhållanden, beter sig systemet som en trekomponents fysikalisk och inte som en tvåkomponents kemisk. Detsamma gäller för reaktionen mellan de två huvudkomponenterna luft - kväve N 2 och syre O 2

så att kväve-syreblandningen vanligtvis betraktas som ett tvåkomponents fysikaliskt system.

Beroende av antalet komponenter på problemformuleringen

Klassen av systemet (fysikalisk eller kemisk) och antalet komponenter som tas med i beräkningen i det kan bero på problemformuleringen, inklusive den erforderliga noggrannheten i slutresultaten [6] . Så, med tanke på den termodynamiska cykeln för en ångmaskin , kan matarvatten betraktas som ett fysiskt enkomponentsystem. Att kontrollera samma vatten för föroreningar (när det är nödvändigt att ta hänsyn till ämnen som finns i mycket små mängder) innebär att matarvattnet betraktas som ett flerkomponentsystem.

Anteckningar

  1. ↑ komponent // IUPAC Gold Book Arkiverad 8 mars 2015 på Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 3 Komponenter (i termodynamik och kemi) // Great Soviet Encyclopedia, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , sid. 311.
  4. ↑ Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 306.
  5. ↑ Fysiskt uppslagsverk. Volym 2, 1990 , sid. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Chemical encyclopedia, vol. 3, 1992 , sid. 98.
  7. ↑ Till exempel består kristallint svavel av S 8 molekyler , smält svavel innehåller kedjemolekyler av olika längd och i svavelånga finns en jämvikt mellan S 8 , S 6 , S 4 och S 2 molekyler .
  8. ↑ Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, delar 1-2, 1967 , sid. 28.
  9. ↑ Gibbs, J.W., Thermodynamics. Statistical Mechanics, 1982 .
  10. ↑ beståndsdel // IUPAC Gold Book Arkiverad 10 juli 2015 på Wayback Machine .
  11. ↑ Om det för ett ingående ämne krävs att ange dess massa, så uppstår inga konflikter: man talar om "massan av det ingående ämnet". Om det för ett ingående ämne är nödvändigt att ange dess mängd i mol , så leder en kombination av två korrekta standardtermer - " mängd av ämne " och "beståndsdel" - till en formellt korrekt fras "mängd av ämne av ett ingående ämne" till en förlust av klarhet som krävs av den vetenskapliga presentationsstilen , och en enklare vändning av "mängden av ett ingående ämne" för människor långt från kemi förlorar sin vetenskapliga entydighet på grund av existensen av en vardaglig tolkning av termerna som ingår i den. Å andra sidan, på tal om "kvantiteten av komponenten", minskar risken något för att det begrepp som diskuteras missförstås.
  12. ↑ Komponenter // Great Russian Encyclopedia, vol. 14, 2009, sid. 700. . Hämtad 19 mars 2017. Arkiverad från originalet 20 mars 2017.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Thermodynamics and molecular physics, 2005 , sid. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Thermodynamics, 1971 , sid. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical chemistry, volym 1, 1970 , sid. 331.
  16. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , sid. 15-16.
  17. ↑ Kemiska reaktioner, vars ekvationer inte är linjära kombinationer av ekvationerna för andra kemiska reaktioner som samtidigt förekommer i systemet.
  18. ↑ Eremin V.V. et al., Fundamentals of Physical Chemistry, 2005 , sid. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. et al., Thermodynamics for chemists, 2004 , sid. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., Fundamentals of Thermodynamics, 1987 , sid. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, delar 1-2, 1967 , sid. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberty R., Physical Chemistry, 1978 , sid. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , sid. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , sid. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V.I., Eremina E.A. Phase rule (single-component systems), 1999 Arkivexemplar daterad 3 oktober 2015 på Wayback Machine .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Rule of phases, 1964 , sid. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , sid. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical chemistry, volym 1, 1970 , sid. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Rule of phases, 1964 , sid. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Chemistry, 1986 , sid. 164-165.
  31. ↑ Blandningar av väte och syre är explosiva under dessa förhållanden, men initiering, till exempel av en elektrisk gnista , krävs för att starta den aktuella kemiska reaktionen .

Litteratur