Komponentit (termodynamiikka)

Komponentit (termodynamiikassa ja kemiassa)  ovat järjestelmän aineen itsenäisiä ainesosia, eli yksittäisiä kemiallisia aineita , jotka ovat välttämättömiä ja riittäviä muodostamaan tietyn termodynaamisen järjestelmän [1] , mahdollistavat erottamisen järjestelmästä ja itsenäisen olemassaolon sen ulkopuolella [ 1] 2] [3] [4] [5] . Muutokset komponenttien massoissa ilmaisevat kaikkia mahdollisia muutoksia järjestelmän kemiallisessa koostumuksessa , eikä kunkin komponentiksi valitun aineen massa ( aineen määrä , hiukkasten lukumäärä ) riipu massoista (ainemäärät, määrä hiukkasten) muiden komponenttien [6] [2] .

Komponenttien riippumattomuus tarkoittaa, että jos niiden massoja tai pitoisuuksia käytetään itsenäisinä termodynaamisina muuttujina , voidaan:

Erityisesti, kun tarkastellaan faasitasapainoja ja faasireaktioita yksikomponenttijärjestelmissä, on sallittua jättää huomioimatta rinnakkaisten faasien kemiallisten koostumusten ero [7] (jos joko komponenttien massoja käytetään itsenäisinä muuttujina tai samoja kaavayksikkö otetaan kaikille vaiheille laskettaessa moolikomponentin määrää [8] ).

Historiallinen tausta

JW Gibbs [9] esitteli järjestelmäkomponenttien käsitteen vuosina 1875-1876.

Aineen komponentit ja ainesosat

Termodynaamisen järjestelmän ainesosat [10] ovat kaikki yksittäisiä aineita , jotka voidaan eristää järjestelmästä ja esiintyä sen ulkopuolella. Venäläisessä kirjallisuudessa he poikkeavat kielellisistä ja tyylillisistä syistä [11] melko usein IUPAC - terminologiasta eivätkä puhu ainesosista ja komponenteista, vaan komponenteista ja itsenäisistä komponenteista [12] [13] [14] .

Järjestelmän komponenttien lukumäärä on pienempi kuin sen aineosien lukumäärä näiden aineiden massojen välisten kommunikaatioyhtälöiden lukumäärällä (jos sellaisia ​​on) [15] [16] . Pienin määrä komponentteja on yksi.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa fysikaalisessa järjestelmässä aineosien pitoisuuksissa, joiden vaiheissa ei ole rajoituksia, komponentit ovat kaikki ainesosia [6] (edellä mainitut rajoitukset eivät sisällä ehtoa 1 summan summasta komponenttien murto-osat kussakin vaiheessa, koska sitä on jo käytetty vaihesäännön Gibbs johtamisessa).

Kemiallisessa järjestelmässä aineosien pitoisuuksien välisiin yhteysyhtälöihin sisältyy yhtälöt, jotka kuvaavat itsenäisiä kemiallisia reaktioita [17] tässä järjestelmässä. Jos kemiallisen järjestelmän koostumukselle ei aseteta lisärajoituksia, järjestelmän komponenttien lukumäärä on yhtä suuri kuin ainesosien lukumäärä, vähennettynä itsenäisten kemiallisten reaktioiden lukumäärällä [6] . Periaatteessa ei ole väliä, mitkä kemiallisista reaktioista sisällytetään itsenäisten reaktioiden joukkoon - on tärkeää, että tämä sarja on täydellinen. Komponenttien valinta ilman täysin mielivaltaista - komponenttien kaavamatriisin ( atomimatriisi , molekyylimatriisi, koostumusmatriisi) on oltava neliö , sen koon (järjestyksen) on vastattava komponenttien lukumäärää ja determinantin on oltava nollasta poikkeava ( kaavakomponenttimatriisi ) [18] [19] [20] , - määräytyy käytännön tarkoituksenmukaisuuden mukaan ja mahdollistaa muuntelun mukavuussyistä tiettyjen erityisongelmien ratkaisemisessa.

Järjestelmälle kokonaisuutena asetetut materiaalieristyksen ehdot [21] eivät päde edellä mainittuihin kytkentäyhtälöihin eivätkä vaikuta järjestelmän komponenttien lukumäärän laskemiseen.

Lisätietoyhtälöt eivät saa sisältää aineiden massoja (määriä) eri vaiheissa. Toisin sanoen vain niiden aineiden pitoisuudet (fraktiot), jotka ovat osa yhtä vaihetta, tulisi näkyä tiedonsiirtoyhtälössä. Alla on erityisiä esimerkkejä lisäkytkentäyhtälöistä (alkuehdot [22] ) kemiallisissa järjestelmissä.

Järjestelmien luokitus komponenttien lukumäärän mukaan

Komponenttien lukumäärästä riippuen yksikomponenttiset (unary [23] ), kaksikomponenttiset (double, binary), kolmikomponenttiset (kolmikomponentit) ja monikomponenttiset järjestelmät [2] [24] .

Esimerkkejä komponenttien valinnasta ja niiden lukumäärän löytämisestä fyysisille järjestelmille

Homogeeniset järjestelmät : ilmakehän ilma (pääkomponentit ovat typpi , happi , argon , hiilidioksidi , vesi höyryn muodossa ); tislattu vesi (ainoa komponentti on vesi); merivesi (pääkomponentit ovat vesi, natriumkloridi ja muut suolat ); timantti (ainoa komponentti on metastabiili allotrooppinen hiilen muoto ) ; grafiitti (ainoa komponentti on hiilen vakaa allotrooppinen modifikaatio).

Heterogeeniset järjestelmät : järjestelmä, joka muodostuu jäästä , nestemäisestä vedestä ja vesihöyrystä (kolmivaiheinen yksikomponenttinen järjestelmä); vesihöyryjärjestelmä - tavallisen suolan liuos vedessä (hiukkaset - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - jne., ainesosia, ne ovat myös komponentteja - vesi ja natriumkloridi, kaksi- komponentti kaksivaiheinen järjestelmä).

Esimerkkejä komponenttien valinnasta ja niiden lukumäärän löytämisestä kemiallisiin järjestelmiin

Kaksikomponenttinen nelifaasijärjestelmä : jääjärjestelmä  - kuparisulfaatin CuSO 4 kyllästetty liuos - kuparisulfaatin sakka CuSO 4 • 5H 2 O - vesihöyry. Kolme aineosaa ( suola , sen hydraatti ja vesi), yksi kemiallinen reaktio

- hydraatin muodostuminen suolasta ja vedestä, 3 - 1 \u003d 2 komponentista (vesi ja suola).

Yksikomponenttinen kaksifaasijärjestelmä : kiinteä kiinteän ammoniumkloridin suljettu järjestelmä , joka dissosioituu kuumennettaessa kaasumaiseksi ammoniakiksi ja vetykloridiksi reaktion seurauksena

Kolme aineosaa, yksi kemiallinen reaktio, yksi lisäehto (NH 3 :n ja HCl:n pitoisuuksien yhtäläisyys kaasufaasissa suljetun järjestelmän seurauksena), 3 - 2 = 1 komponentti. Jos järjestelmä on avoin ja NH 3 :n ja HCl:n pitoisuudet kaasufaasissa ovat mielivaltaisia, komponenttien lukumäärä on 2, eli järjestelmä on kaksikomponenttinen [25] [26] [27] .

Kaksikomponenttinen kolmifaasijärjestelmä : avoin kalsiumoksidin ja hiilidioksidin järjestelmä , joka muodostaa reaktion seurauksena kalsiumkarbonaattia

Kolme ainesosaa, yksi kemiallinen reaktio, kaksi komponenttia. Komponenteiksi voit valita mitkä tahansa kaksi kolmesta kemialliseen reaktioon osallistuvasta aineesta. Ongelman muotoilun perusteella on suositeltavaa valita komponenteiksi lähtöaineet (CaO ja CO 2 ) .

Kaksikomponenttinen kolmifaasijärjestelmä : suljettu kiinteä kiinteän kalsiumkarbonaatin järjestelmä, joka kuumennettaessa dissosioituu kiinteäksi kalsiumoksidiksi ja kaasumaiseksi hiilidioksidiksi reaktiolla, jossa poltettua kalkkia saadaan paahtamalla kalkkikiveä

Kolme aineosaa, yksi kemiallinen reaktio, ei ole ylimääräisiä kytkentäyhtälöitä (koska jokaisessa faasissa on yksi aine), 3 - 1 = 2 komponenttia [25] [22] [28] [29] . Ilmeinen johtopäätös on kolme yksittäistä ainetta, yksi kemiallinen reaktio, yksi lisäsidosyhtälö ( CaO:n ja CO 2 :n moolimäärien yhtäläisyys suljetun systeemin seurauksena), komponenttien lukumäärä 3 - 2 = 1, eli systeemi on yksikomponenttinen [30]  - on virheellinen.

Komponenttien lukumäärän riippuvuus kemiallisen reaktion olosuhteista

Huomioon otettavien komponenttien määrä riippuu olosuhteista, joissa järjestelmä sijaitsee. Olosuhteita muuttamalla voidaan käynnistää tai estää kemiallisia reaktioita ja siten muuttaa aineiden massojen muutoksiin kohdistuvien sidosten määrää [6] . Joten järjestelmä vety H 2  - happi O 2  - vesi H 2 O on yleensä kaksikomponenttinen, koska reaktio on mahdollista

Huoneenlämpötilassa ja ilmakehän paineessa tämä reaktio ei kuitenkaan etene edes katalyytin läsnä ollessa [31] . Siksi näissä olosuhteissa järjestelmä käyttäytyy kuin kolmikomponenttinen fyysinen, ei kuin kaksikomponenttinen kemiallinen. Sama pätee ilman kahden pääkomponentin - typen N 2 ja hapen O 2 - väliseen reaktioon

niin, että typpi-happi- seosta pidetään yleensä kaksikomponenttisena fysikaalisena systeeminä.

Komponenttien lukumäärän riippuvuus ongelmalausekkeesta

Järjestelmän luokka (fysikaalinen tai kemiallinen) ja siinä huomioitujen komponenttien määrä voi riippua ongelman muotoilusta, mukaan lukien lopputulosten vaadittava tarkkuus [6] . Joten, kun otetaan huomioon höyrykoneen termodynaaminen sykli , syöttövettä voidaan pitää yksikomponenttisena fyysisenä järjestelmänä. Saman veden tarkastaminen epäpuhtauksien varalta (kun on tarpeen ottaa huomioon hyvin pieniä määriä läsnä olevat aineet) tarkoittaa, että syöttövettä pidetään monikomponenttijärjestelmänä.

Muistiinpanot

  1. ↑ komponentti // IUPAC Gold Book Arkistoitu 8. maaliskuuta 2015 Wayback Machinessa .
  2. ↑ 1 2 3 Komponentit (termodynamiikassa ja kemiassa) // Great Soviet Encyclopedia, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , s. 311.
  4. ↑ Fysiikka. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 306.
  5. ↑ Fyysinen tietosanakirja. 2. osa, 1990 , s. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Chemical encyclopedia, osa 3, 1992 , s. 98.
  7. ↑ Esimerkiksi kiteinen rikki koostuu S8 - molekyyleistä , sula rikki sisältää eripituisia ketjumolekyylejä ja rikkihöyryssä on tasapaino S8- , S6- , S4- ja S2 - molekyylien välillä .
  8. ↑ Storonkin A. V., Heterogeenisten järjestelmien termodynamiikka, osat 1-2, 1967 , s. 28.
  9. ↑ Gibbs, J.W., Thermodynamics. Statistical Mechanics, 1982 .
  10. ↑ aineosa // IUPAC Gold Book Arkistoitu 10. heinäkuuta 2015 Wayback Machinessa .
  11. ↑ Jos ainesosana olevan aineen massa on ilmoitettava, niin ristiriitoja ei synny: puhutaan "ainesosan massasta". Jos ainesosan aineen määrä on ilmoitettava mooliina , kahden oikean vakiotermin - " aineen määrä " ja "komponenttiaine" - yhdistäminen muodollisesti oikeaan lauseeseen "ainesosan aineen määrä" johtaa tieteellisen esitystavan edellyttämä selkeyden menetys ja yksinkertaisempi puheenkäännös "ainesosan määrä" kemiasta kaukana oleville ihmisille menettää tieteellisen yksiselitteisyytensä sen sisältämien termien arkipäiväisen tulkinnan vuoksi. Toisaalta "komponentin määrästä" puhuminen vähentää jossain määrin riskiä käsiteltävien käsitteiden väärinymmärryksestä.
  12. ↑ Komponentit // Great Russian Encyclopedia, vol. 14, 2009, s. 700. . Haettu 19. maaliskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2017.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Termodynamiikka ja molekyylifysiikka, 2005 , s. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Termodynamiikka, 1971 , s. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. et ai., Course of Physical Chemistry, osa 1, 1970 , s. 331.
  16. ↑ A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. 15-16.
  17. ↑ Kemialliset reaktiot, joiden yhtälöt eivät ole lineaarisia yhdistelmiä systeemissä samanaikaisesti tapahtuvien muiden kemiallisten reaktioiden yhtälöistä.
  18. ↑ Eremin V.V. et ai., Fundamentals of Physical Chemistry, 2005 , s. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. et ai., Thermodynamics for chemists, 2004 , s. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., Thermodynamics Fundamentals, 1987 , s. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Heterogeenisten järjestelmien termodynamiikka, osat 1-2, 1967 , s. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberty R., Physical Chemistry, 1978 , s. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , s. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , s. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V.I., Eremina E.A. Phase rule (yksikomponenttiset järjestelmät), 1999 Arkistokopio päivätty 3. lokakuuta 2015 Wayback Machinessa .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., vaiheiden sääntö, 1964 , s. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Chemical thermodynamics, 1963 , s. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. et ai., Course of Physical Chemistry, osa 1, 1970 , s. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., vaiheiden sääntö, 1964 , s. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Chemistry, 1986 , s. 164-165.
  31. ↑ Vedyn ja hapen seokset ovat näissä olosuhteissa räjähtäviä, mutta kyseessä olevan kemiallisen reaktion käynnistäminen edellyttää esimerkiksi sähkökipinän aiheuttamaa sytytystä .

Kirjallisuus