Гиббстың фазалар ережесі

ДӘРІС. Фазалық тепе-теңдіктер.

7.1 Физика-химиялық анализ (ФХА). Физика-химиялық анализдің дамуы Н.С. Курнаковтың есімімен байланысты. Бұл әдіс – күрделі системалардағы әртүрлі параметрлер арасындағы дәл аналитикалық тәуелділікті анықтау өте қиын жағдайда күрделі системаларды зерттеу әдісі. Физика-химиялық анализ тепе-теңдіктегі системаның қасиеттерінің құрамына және болу шарттарына эксперименталдық тәуелділікті зерттеп және алынған тәуелділікті графиктік түрде салуға негізделген. Сыртқы жағдайлардың үзіліссіз өзгерісі системаның қасиеттерінің үзіліссіз өзгеруіне әкеледі. Системада фазалар саны өзгергенде ғана кейбір қасиеттері ырғып өзгереді. Бұл өзгерістер күй диаграммасында максимум, минимум, қисаю, сыну нүктелерімен т.б. көрінеді. Ерітіндінің немесе балқыманың компоненттерінің арасындағы әрекеттесу немесе әрекеттеспеу ңқұрам-қасиетң диаграммасынан айқын көрінеді. Сонымен, физика-химиялық анализдің негізгі мақсаты құрам-қасиет диаграммасының геометриялық формасымен фазалардың санының, химиялық табиғатының және фазалардың болу шекарасының және т.б. арасындағы байланысты анықтау болып табылады.

Күй диаграммасын тұрғызу үшін қолданылатын әдістерге: ерігіштік әдісі, термиялық анализ, микроструктура анықтау т.б. жатады.

Термиялық анализ – сұйық және қатты денелердің арасындағы тепе-теңдік температурасын анықтауға негізделген. Негізгі әдістері: 1) визуалдық: мөлдір ерітіндіде кристалдардың пайда болу (немесе жоғалу) температурасы белгіленеді. 2) суыту немесе қыздыру қисықтарын тұрғызу. 2-әдісте термометр немесе термопараның көмегімен аз уақыт аралықтарында үзіліссіз суытып (қыздырып)

отырған системаның температура-сын өлшеп отырады. Алдын-ала қыздырылған денені (мысалы мыс кесегі) бірқалыпты суытылатын жағдайда орналастырып, темпера-турасын өлшеп отырамыз. Алынған мәліметтерді ңтемпература-уақытң диаграммасына салу арқылы бірқалыпты қисық (7.3-сурет) алдық

7.3-сурет Фазалық 7.4-сурет. Фазалық

өзгерісі бар суыту өзгеріссіз суыту

қисығы қисығы

делік. Бұл суытқанда фазалық өзгеріс болмағанын көрсетеді. Егер бұл температура облысында фазалық өзгеріс болса, қисықтың түрі мүлдем басқаша болады (7.4-сурет). Мысалы суды суытқанда температураның біркелкі төмендеуі 0⁰С –қа дейін ғана болады (Р=1атм.). Бұл температурада су мұзға айналады. Су қатқанда бөлінетін жылу суыту кезіндегі жылу жоғалтуды компенсирлейді де су мұзға толық айналғанша температура тұрақты болып қалады. Тек содан кейін ғана ары қарай суыту температураны төмендетеді.

Фазалар ережесіне сәйкес екі фазаның арасында (қатты және сұйық) таралған таза заттың тұрақты қысымда бірде еркіндік дәрежесі жоқ, яғни кристалдану тұрақты температурада өтеді. Температураның уақыт бойынша өзгеруі суыту қисықтары деп аталады. Керісінше процесте (яғни системаны қыздырғанда) – қыздыру қисықтары деп аталады. Суыту немесе қыздыру қисықтарын алғанда сыртқы қысым тұрақты сақталады. Термиялық анализ (суыту және қыздыру қисықтарын алу) - физика-химиялық анализдің әлістерінің бірі

Гиббстың фазалар ережесі

Бір фазадан түратын жүйені гомогенді жүйе дейді. Мысалы: газдар қоспасы, қанықпаған ерітінді, таза зат кристалдары, күміс пен алтынның балқымасы. Шекарамен бөлінген бірнеше фазадан түратын жүйені гетерогенді жүйе дейді.

Мысалы: екі кристалды заттың қоспасы, тұздың судағы қаныққан ерітіндісі, бір-бірімен араласпайтын екі сұйық, су мен сулы бу.

Фаза д еп жүйенің басқа бөліктерінен шекарамен бөлінген жүйенің бір бөлігін айтады. Фазаның кез-келген нүктесінде физикалық және химиялық қасиеттері бірдей болады. Жүйені кұрайтын заттар компоненттер деп аталады. Жүйеден бөлек өзінше де өмір сүре алатын жеке химиялық заттарды тәуелсіз компоненттер деп атайды. Тәуелсіз компоненттер саны – жүйе құрам бөліктері мен олардың арасында орын алатын реакциялар санынына айырымына тең.

Еркіндік дәреже саны деп жүйедегі кейбір параметрлерді (Р, Т, концентрациялар және т.б.) фазалық тепе-теңдікті бұзбай (фазалар санын) еркін өзгерту мүмкіншілікті айтады, С деп белгілейді. Еркіндік дәреже саны (С) компоненттер саны (К)және фазалар саны (Ф) арасындағы математикалық байланысты көрсетеді:

C = K - Ф +n (7.1)

n – жүйенің физикалық күйіне әсер көрсететін факторлар саны (Р, Т, электрлік, магниттік жазықтар және т.б.).

Конденсирленген жүйелер үшін тек тек қана Р және Т әсер етеді деп саналады, сондықтан

С = К - Ф + 2 (7. 2)

Бұл ережені Гиббс ережесі дейді: жүйенің еркіндік дәреже саны компоненттер санынан фазалар санын алып тастап, айырымына екіні қосқанға тең. Еркіндік дәреже санына байланысты жүйелер инвариантты

(С =0), моновариантты (С = 1), дивариантты (С = 2) болады.