Kesetimbangan Fase dan Aturan Fase

Kesetimbangan fase menjelaskan koeksistensi padatan, cairan, gas, dan larutan, dan aturan fase Gibbs menghitung berapa banyak kondisi yang dapat bervariasi secara bebas sementara fase tetap seimbang.

Definition

Kesetimbangan fase adalah kondisi di mana dua atau lebih fase materi berkoeksistensi pada potensial kimia yang sama, dan aturan fase adalah hubungan, derajat kebebasan sama dengan komponen dikurangi fase ditambah dua, yang menentukan jumlah kondisi intensif yang dapat bervariasi secara independen.

Scope

Topik ini mencakup termodinamika koeksistensi fase: kesetaraan potensial kimia antar fase, persamaan Clapeyron dan Clausius-Clapeyron yang mengatur batas fase, serta konstruksi dan pembacaan diagram fase untuk zat murni dan campuran. Ini mencakup aturan fase Gibbs yang menghubungkan derajat kebebasan dengan komponen dan fase, sifat koligatif, kemisibilitas parsial, eutektik, dan aturan pengungkit, sedangkan kinetika nukleasi dan pertumbuhan berada di luar cakupannya.

Core questions

• Mengapa potensial kimia setiap komponen harus sama di setiap fase yang berkoeksistensi pada kesetimbangan?
• Bagaimana persamaan Clapeyron dan Clausius-Clapeyron menjelaskan kemiringan batas fase?
• Bagaimana aturan fase Gibbs menghitung derajat kebebasan dalam sistem heterogen?
• Bagaimana eutektik, azeotrop, dan kemisibilitas parsial dibaca dari diagram fase?

Key concepts

• Kesetaraan potensial kimia antar fase
• Persamaan Clapeyron dan Clausius-Clapeyron
• Aturan fase Gibbs dan derajat kebebasan
• Diagram fase, garis ikatan, dan aturan pengungkit
• Eutektik, azeotrop, dan sifat koligatif

Key theories

Aturan fase Gibbs

Untuk sistem pada kesetimbangan, jumlah variabel intensif yang dapat diubah secara independen sama dengan jumlah komponen dikurangi jumlah fase ditambah dua, membatasi berapa banyak fase yang dapat berkoeksistensi dan bagaimana diagram fase diatur.

Hubungan Clausius-Clapeyron untuk batas fase

Kemiringan garis koeksistensi dalam diagram tekanan-suhu ditentukan oleh perubahan entropi dan volume transisi; untuk penguapan dan sublimasi ini berkurang menjadi persamaan Clausius-Clapeyron yang menghubungkan tekanan uap dengan entalpi transisi.

Clinical relevance

Kesetimbangan fase mengatur distilasi dan kristalisasi dalam pembuatan bahan kimia, pemrosesan paduan dan keramik dalam ilmu material, pembentukan mineral dalam geologi, serta penurunan titik beku dan fenomena osmotik yang dieksploitasi dalam krioproteksi dan formulasi farmasi.

History

Clapeyron menurunkan persamaan untuk kemiringan batas fase pada tahun 1834; aturan fase Gibbs pada tahun 1870-an memberikan struktur kombinatorial yang ketat pada kesetimbangan heterogen, dan Roozeboom serta yang lainnya menerapkannya secara sistematis untuk membangun diagram fase multi-komponen yang menjadi pusat metalurgi dan kimia.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Apa artinya suatu titik dalam diagram fase memiliki derajat kebebasan nol?

Ini adalah titik invarian, seperti titik tripel zat murni, di mana suhu dan tekanan keduanya tetap; setiap perubahan kondisi memaksa salah satu fase yang berkoeksistensi untuk menghilang.

Mengapa campuran cair dua komponen terkadang tidak dapat dipisahkan sepenuhnya dengan distilasi?

Beberapa campuran membentuk azeotrop, komposisi di mana uap dan cairan memiliki komposisi yang identik, sehingga distilasi biasa tidak dapat memperkaya campuran melampaui titik tersebut tanpa mengubah tekanan atau menambahkan komponen lain.