สมดุลวัฏภาคและกฎวัฏภาค
สมดุลวัฏภาคอธิบายการอยู่ร่วมกันของของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และสารละลาย และกฎวัฏภาคของกิบบส์นับจำนวนเงื่อนไขที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระในขณะที่วัฏภาคยังคงสมดุล
Definition
สมดุลวัฏภาคคือสภาวะที่วัฏภาคของสสารสองวัฏภาคหรือมากกว่าอยู่ร่วมกันที่ศักย์เคมีเท่ากัน และกฎวัฏภาคคือความสัมพันธ์ที่ว่าระดับความเป็นอิสระเท่ากับจำนวนองค์ประกอบลบด้วยจำนวนวัฏภาคบวกสอง ซึ่งกำหนดจำนวนเงื่อนไขแบบเข้มข้นที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระ
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมอุณหพลศาสตร์ของการอยู่ร่วมกันของวัฏภาค: ความเท่าเทียมกันของศักย์เคมีในแต่ละวัฏภาค, สมการของคลาเปย์รอนและเคลาซิอุส-คลาเปย์รอนที่ควบคุมขอบเขตวัฏภาค, และการสร้างและการอ่านแผนภาพวัฏภาคสำหรับสารบริสุทธิ์และสารผสม รวมถึงกฎวัฏภาคของกิบบส์ที่เชื่อมโยงระดับความเป็นอิสระกับองค์ประกอบและวัฏภาค, สมบัติคอลลิเกทีฟ, การละลายได้บางส่วน, ยูเทกติก, และกฎคาน ในขณะที่จลนพลศาสตร์ของการก่อตัวและการเติบโตอยู่นอกขอบเขตนี้
Core questions
- เหตุใดศักย์เคมีของแต่ละองค์ประกอบจึงต้องเท่ากันในทุกวัฏภาคที่อยู่ร่วมกัน ณ สมดุล?
- สมการของคลาเปย์รอนและเคลาซิอุส-คลาเปย์รอนอธิบายความชันของขอบเขตวัฏภาคได้อย่างไร?
- กฎวัฏภาคของกิบบส์นับระดับความเป็นอิสระในระบบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างไร?
- ยูเทกติก, เอซีโอโทรป, และการละลายได้บางส่วนอ่านได้จากแผนภาพวัฏภาคอย่างไร?
Key concepts
- ความเท่าเทียมกันของศักย์เคมีในแต่ละวัฏภาค
- สมการของคลาเปย์รอนและเคลาซิอุส-คลาเปย์รอน
- กฎวัฏภาคของกิบบส์และระดับความเป็นอิสระ
- แผนภาพวัฏภาค, เส้นเชื่อมโยง, และกฎคาน
- ยูเทกติก, เอซีโอโทรป, และสมบัติคอลลิเกทีฟ
Key theories
- กฎวัฏภาคของกิบบส์
- สำหรับระบบที่สมดุล จำนวนตัวแปรเข้มข้นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระเท่ากับจำนวนองค์ประกอบลบด้วยจำนวนวัฏภาคบวกสอง ซึ่งจำกัดจำนวนวัฏภาคที่สามารถอยู่ร่วมกันได้และวิธีการจัดระเบียบแผนภาพวัฏภาค
- ความสัมพันธ์ของเคลาซิอุส-คลาเปย์รอนสำหรับขอบเขตวัฏภาค
- ความชันของเส้นการอยู่ร่วมกันในแผนภาพความดัน-อุณหภูมิถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีและปริมาตรของการเปลี่ยนสถานะ; สำหรับการกลายเป็นไอและการระเหิด สิ่งนี้จะลดรูปเป็นสมการของเคลาซิอุส-คลาเปย์รอนที่เชื่อมโยงความดันไอเข้ากับเอนทาลปีของการเปลี่ยนสถานะ
Clinical relevance
สมดุลวัฏภาคควบคุมการกลั่นและการตกผลึกในการผลิตสารเคมี, การแปรรูปโลหะผสมและเซรามิกในวัสดุศาสตร์, การก่อตัวของแร่ธาตุในธรณีวิทยา, และการลดจุดเยือกแข็งและปรากฏการณ์ออสโมติกที่นำมาใช้ในการป้องกันการแข็งตัวและการเตรียมยา
History
คลาเปย์รอนได้มาจากสมการสำหรับความชันของขอบเขตวัฏภาคในปี ค.ศ. 1834; กฎวัฏภาคของกิบบส์ในทศวรรษ 1870 ได้ให้โครงสร้างเชิงการจัดหมู่ที่เข้มงวดแก่สมดุลแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และรูสบูมและคนอื่นๆ ได้นำไปประยุกต์ใช้อย่างเป็นระบบเพื่อสร้างแผนภาพวัฏภาคหลายองค์ประกอบซึ่งกลายเป็นหัวใจสำคัญของโลหะวิทยาและเคมี
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Benoit Paul Emile Clapeyron
- Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
Frequently asked questions
- จุดในแผนภาพวัฏภาคที่มีระดับความเป็นอิสระเป็นศูนย์หมายความว่าอย่างไร?
- เป็นจุดไม่แปรผัน เช่น จุดสามสถานะของสารบริสุทธิ์ ซึ่งอุณหภูมิและความดันถูกกำหนดตายตัว การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสภาวะจะทำให้วัฏภาคใดวัฏภาคหนึ่งที่อยู่ร่วมกันหายไป
- เหตุใดสารละลายของเหลวสององค์ประกอบบางครั้งจึงไม่สามารถแยกออกจากกันได้ทั้งหมดด้วยการกลั่น?
- สารผสมบางชนิดก่อตัวเป็นเอซีโอโทรป ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ไอและของเหลวมีองค์ประกอบเหมือนกัน ดังนั้นการกลั่นแบบธรรมดาจึงไม่สามารถเพิ่มความเข้มข้นของสารผสมเกินจุดนั้นได้โดยไม่เปลี่ยนความดันหรือเพิ่มองค์ประกอบอื่น