Équilibres de phases et la règle des phases

Les équilibres de phases décrivent la coexistence des solides, des liquides, des gaz et des solutions, et la règle des phases de Gibbs détermine combien de conditions peuvent être librement variées tandis que les phases restent en équilibre.

Definition

Les équilibres de phases sont les conditions sous lesquelles deux phases ou plus de matière coexistent à potentiel chimique égal, et la règle des phases est la relation, le nombre de degrés de liberté est égal au nombre de composants moins le nombre de phases plus deux, qui fixe le nombre de conditions intensives variant indépendamment.

Scope

Ce sujet aborde la thermodynamique de la coexistence des phases : l'égalité des potentiels chimiques entre les phases, les équations de Clapeyron et de Clausius-Clapeyron régissant les frontières de phase, ainsi que la construction et la lecture des diagrammes de phases pour les substances pures et les mélanges. Il inclut la règle des phases de Gibbs reliant les degrés de liberté aux composants et aux phases, les propriétés colligatives, la miscibilité partielle, les eutectiques et la règle des leviers, tandis que la cinétique de la nucléation et de la croissance n'entre pas dans son champ d'application.

Core questions

• Pourquoi le potentiel chimique de chaque composant doit-il être égal dans chaque phase coexistante à l'équilibre ?
• Comment les équations de Clapeyron et de Clausius-Clapeyron décrivent-elles la pente des frontières de phase ?
• Comment la règle des phases de Gibbs détermine-t-elle les degrés de liberté dans un système hétérogène ?
• Comment les eutectiques, les azéotropes et la miscibilité partielle sont-ils lus à partir des diagrammes de phases ?

Key concepts

• Égalité des potentiels chimiques entre les phases
• Équations de Clapeyron et de Clausius-Clapeyron
• Règle des phases de Gibbs et degrés de liberté
• Diagrammes de phases, lignes de conjugaison et règle des leviers
• Eutectiques, azéotropes et propriétés colligatives

Key theories

Règle des phases de Gibbs

Pour un système à l'équilibre, le nombre de variables intensives pouvant être modifiées indépendamment est égal au nombre de composants moins le nombre de phases plus deux, ce qui contraint le nombre de phases pouvant coexister et l'organisation des diagrammes de phases.

Relation de Clausius-Clapeyron pour les frontières de phase

La pente d'une ligne de coexistence dans un diagramme pression-température est déterminée par les changements d'entropie et de volume de la transition ; pour la vaporisation et la sublimation, cela se réduit à l'équation de Clausius-Clapeyron reliant la pression de vapeur à l'enthalpie de transition.

Clinical relevance

Les équilibres de phases régissent la distillation et la cristallisation dans la fabrication chimique, le traitement des alliages et des céramiques en science des matériaux, la formation des minéraux en géologie, ainsi que l'abaissement du point de congélation et les phénomènes osmotiques exploités en cryoprotection et en formulation pharmaceutique.

History

Clapeyron a dérivé l'équation des pentes des frontières de phase en 1834 ; la règle des phases de Gibbs des années 1870 a conféré aux équilibres hétérogènes une structure combinatoire rigoureuse, et Roozeboom et d'autres l'ont appliquée systématiquement pour construire les diagrammes de phases multicomposants qui sont devenus centraux en métallurgie et en chimie.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Que signifie pour un point dans un diagramme de phases d'avoir zéro degré de liberté ?

C'est un point invariant, tel que le point triple d'une substance pure, où la température et la pression sont toutes deux fixées ; tout changement de conditions force l'une des phases coexistantes à disparaître.

Pourquoi un mélange liquide à deux composants ne peut-il parfois pas être entièrement séparé par distillation ?

Certains mélanges forment des azéotropes, des compositions où la vapeur et le liquide ont une composition identique, de sorte que la distillation ordinaire ne peut pas enrichir le mélange au-delà de ce point sans modifier la pression ou ajouter un autre composant.