اتزان الأطوار وقاعدة الأطوار

تصف اتزانات الأطوار التعايش بين المواد الصلبة والسوائل والغازات والمحاليل، وتحسب قاعدة جيبس للأطوار عدد الشروط التي يمكن تغييرها بحرية بينما تظل الأطوار في حالة توازن.

Definition

اتزانات الأطوار هي الظروف التي تتعايش فيها طوران أو أكثر من المادة عند كمون كيميائي متساوٍ، وقاعدة الأطوار هي العلاقة، درجات الحرية تساوي عدد المكونات مطروحًا منه عدد الأطوار مضافًا إليه اثنان، والتي تحدد عدد الظروف المكثفة المتغيرة بشكل مستقل.

Scope

يغطي هذا الموضوع الديناميكا الحرارية لتعايش الأطوار: تساوي الكمونات الكيميائية عبر الأطوار، ومعادلتي كلابيرون وكلاوسيوس-كلابيرون اللتين تحكمان حدود الأطوار، وبناء وقراءة مخططات الأطوار للمواد النقية والمخاليط. ويشمل قاعدة جيبس للأطوار التي تربط درجات الحرية بالمكونات والأطوار، والخواص التجميعية، والامتزاج الجزئي، واليوتكتيكات (eutectics)، وقاعدة الرافعة (lever rule)، بينما تقع حركية التنوّي والنمو خارج نطاق هذا الموضوع.

Core questions

• لماذا يجب أن يكون الكمون الكيميائي لكل مكون متساويًا في كل طور متعايش عند الاتزان؟
• كيف تصف معادلتا كلابيرون وكلاوسيوس-كلابيرون ميل حدود الأطوار؟
• كيف تحسب قاعدة جيبس للأطوار درجات الحرية في نظام غير متجانس؟
• كيف تُقرأ اليوتكتيكات (eutectics)، والأزيوتروبات (azeotropes)، والامتزاج الجزئي من مخططات الأطوار؟

Key concepts

• تساوي الكمونات الكيميائية عبر الأطوار
• معادلتا كلابيرون وكلاوسيوس-كلابيرون
• قاعدة جيبس للأطوار ودرجات الحرية
• مخططات الأطوار، وخطوط الربط، وقاعدة الرافعة
• اليوتكتيكات (eutectics)، والأزيوتروبات (azeotropes)، والخواص التجميعية

Key theories

قاعدة جيبس للأطوار

بالنسبة لنظام في حالة اتزان، فإن عدد المتغيرات المكثفة التي يمكن تغييرها بشكل مستقل يساوي عدد المكونات مطروحًا منه عدد الأطوار مضافًا إليه اثنان، مما يقيد عدد الأطوار التي يمكن أن تتعايش وكيفية تنظيم مخططات الأطوار.

علاقة كلاوسيوس-كلابيرون لحدود الأطوار

يتحدد ميل خط التعايش في مخطط الضغط-درجة الحرارة بتغيرات الإنتروبيا والحجم للانتقال؛ وبالنسبة للتبخر والتسامي، يختزل هذا إلى معادلة كلاوسيوس-كلابيرون التي تربط ضغط البخار بإنثالبي الانتقال.

Clinical relevance

تحكم اتزانات الأطوار عمليات التقطير والبلورة في التصنيع الكيميائي، ومعالجة السبائك والسيراميك في علم المواد، وتكوين المعادن في الجيولوجيا، وانخفاض نقطة التجمد والظواهر الأسموزية المستغلة في الحماية بالتبريد (cryoprotection) والتركيبات الصيدلانية.

History

اشتق كلابيرون المعادلة لمنحدرات حدود الأطوار في عام 1834؛ وقدمت قاعدة جيبس للأطوار في سبعينيات القرن التاسع عشر بنية تركيبية صارمة للاتزانات غير المتجانسة، وطبقها روزيبوم وآخرون بشكل منهجي لبناء مخططات الأطوار متعددة المكونات التي أصبحت محورية في علم الفلزات والكيمياء.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Benoit Paul Emile Clapeyron
• Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

ماذا يعني أن تكون لنقطة في مخطط الأطوار صفر درجة حرية؟

إنها نقطة ثابتة (invariant point)، مثل النقطة الثلاثية لمادة نقية، حيث تكون درجة الحرارة والضغط ثابتين؛ وأي تغيير في الظروف يجبر أحد الأطوار المتعايشة على الاختفاء.

لماذا لا يمكن أحيانًا فصل خليط سائل مكون من مركبين بالكامل عن طريق التقطير؟

تشكل بعض المخاليط أزيوتروبات (azeotropes)، وهي تركيبات يكون فيها البخار والسائل لهما نفس التركيب، لذا لا يمكن للتقطير العادي إثراء الخليط بعد تلك النقطة دون تغيير الضغط أو إضافة مكون آخر.