Equilíbrios de Fase e a Regra das Fases

Equilíbrios de fase descrevem a coexistência de sólidos, líquidos, gases e soluções, e a regra das fases de Gibbs contabiliza quantas condições podem ser variadas livremente enquanto as fases permanecem em equilíbrio.

Definition

Equilíbrios de fase são as condições sob as quais duas ou mais fases da matéria coexistem com potencial químico igual, e a regra das fases é a relação, graus de liberdade iguais a componentes menos fases mais dois, que fixa o número de condições intensivas independentemente variáveis.

Scope

Este tópico abrange a termodinâmica da coexistência de fases: a igualdade dos potenciais químicos entre as fases, as equações de Clapeyron e Clausius-Clapeyron que governam os limites de fase, e a construção e leitura de diagramas de fase para substâncias puras e misturas. Inclui a regra das fases de Gibbs que relaciona os graus de liberdade com os componentes e as fases, as propriedades coligativas, a miscibilidade parcial, os eutéticos e a regra da alavanca, enquanto a cinética de nucleação e crescimento está fora do seu escopo.

Core questions

• Por que o potencial químico de cada componente deve ser igual em cada fase coexistente no equilíbrio?
• Como as equações de Clapeyron e Clausius-Clapeyron descrevem a inclinação dos limites de fase?
• Como a regra das fases de Gibbs contabiliza os graus de liberdade em um sistema heterogêneo?
• Como os eutéticos, azeótropos e a miscibilidade parcial são lidos a partir de diagramas de fase?

Key concepts

• Igualdade dos potenciais químicos entre as fases
• Equações de Clapeyron e Clausius-Clapeyron
• Regra das fases de Gibbs e graus de liberdade
• Diagramas de fase, linhas de amarração e a regra da alavanca
• Eutéticos, azeótropos e propriedades coligativas

Key theories

Regra das fases de Gibbs

Para um sistema em equilíbrio, o número de variáveis intensivas que podem ser alteradas independentemente é igual ao número de componentes menos o número de fases mais dois, restringindo quantas fases podem coexistir e como os diagramas de fase são organizados.

Relação de Clausius-Clapeyron para limites de fase

A inclinação de uma linha de coexistência em um diagrama pressão-temperatura é definida pelas mudanças de entropia e volume da transição; para vaporização e sublimação, isso se reduz à equação de Clausius-Clapeyron que relaciona a pressão de vapor com a entalpia de transição.

Clinical relevance

Os equilíbrios de fase governam a destilação e a cristalização na fabricação química, o processamento de ligas e cerâmicas na ciência dos materiais, a formação de minerais em geologia, e a depressão do ponto de congelamento e os fenômenos osmóticos explorados na crioproteção e formulação farmacêutica.

History

Clapeyron derivou a equação para as inclinações dos limites de fase em 1834; a regra das fases de Gibbs, na década de 1870, conferiu aos equilíbrios heterogêneos uma estrutura combinatória rigorosa, e Roozeboom e outros a aplicaram sistematicamente para construir os diagramas de fase multicomponentes que se tornaram centrais para a metalurgia e a química.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

O que significa para um ponto em um diagrama de fase ter zero graus de liberdade?

É um ponto invariante, como o ponto triplo de uma substância pura, onde a temperatura e a pressão são ambas fixas; qualquer mudança nas condições força uma das fases coexistentes a desaparecer.

Por que uma mistura líquida de dois componentes às vezes não pode ser totalmente separada por destilação?

Algumas misturas formam azeótropos, composições nas quais o vapor e o líquido têm composição idêntica, de modo que a destilação comum não pode enriquecer a mistura além desse ponto sem alterar a pressão ou adicionar outro componente.