Faz Dengeleri ve Faz Kuralı
Faz dengeleri, katıların, sıvıların, gazların ve çözeltilerin bir arada bulunmasını tanımlamaktadır; Gibbs faz kuralı ise fazlar dengede kalırken kaç koşulun serbestçe değiştirilebileceğini belirlemektedir.
Tanım
Faz dengeleri, iki veya daha fazla maddenin fazının eşit kimyasal potansiyelde bir arada bulunduğu koşulları ifade etmektedir; faz kuralı ise bağımsız olarak değiştirilebilen yoğun koşulların sayısını belirleyen, serbestlik derecelerinin bileşenler eksi fazlar artı ikiye eşit olduğu ilişkidir.
Kapsam
Bu konu, fazların bir arada bulunmasının termodinamiğini kapsamaktadır: fazlar arası kimyasal potansiyellerin eşitliği, faz sınırlarını yöneten Clapeyron ve Clausius-Clapeyron denklemleri ile saf maddeler ve karışımlar için faz diyagramlarının oluşturulması ve okunması incelenmektedir. Kapsamına, serbestlik derecelerini bileşenler ve fazlarla ilişkilendiren Gibbs faz kuralı, kolligatif özellikler, kısmi karışabilirlik, ötektikler ve kaldıraç kuralı dahil edilmektedir; ancak çekirdeklenme ve büyüme kinetiği bu kapsamın dışında kalmaktadır.
Temel sorular
- Dengede bir arada bulunan her fazda, her bir bileşenin kimyasal potansiyeli neden eşit olmak zorundadır?
- Clapeyron ve Clausius-Clapeyron denklemleri, faz sınırlarının eğimini nasıl tanımlamaktadır?
- Gibbs faz kuralı, heterojen bir sistemdeki serbestlik derecelerini nasıl saymaktadır?
- Ötektikler, azeotroplar ve kısmi karışabilirlik faz diyagramlarından nasıl okunmaktadır?
Anahtar kavramlar
- Fazlar arası kimyasal potansiyellerin eşitliği
- Clapeyron ve Clausius-Clapeyron denklemleri
- Gibbs faz kuralı ve serbestlik dereceleri
- Faz diyagramları, bağ çizgileri ve kaldıraç kuralı
- Ötektikler, azeotroplar ve kolligatif özellikler
Temel kuramlar
- Gibbs phase rule
- Dengede olan bir sistem için, bağımsız olarak değiştirilebilen yoğun değişkenlerin sayısı, bileşen sayısı eksi faz sayısı artı ikiye eşittir; bu durum, kaç fazın bir arada bulunabileceğini ve faz diyagramlarının nasıl organize edildiğini kısıtlamaktadır.
- Clausius-Clapeyron relation for phase boundaries
- Basınç-sıcaklık diyagramındaki bir bir arada bulunma çizgisinin eğimi, geçişin entropi ve hacim değişiklikleri tarafından belirlenmektedir; bu durum, buharlaşma ve süblimasyon için buhar basıncını geçiş entalpisine bağlayan Clausius-Clapeyron denklemine indirgenmektedir.
Klinik önem
Faz dengeleri, kimyasal üretimde damıtma ve kristalizasyonu, malzeme biliminde alaşım ve seramik işlemeyi, jeolojide minerallerin oluşumunu ve kriyokoruma ile farmasötik formülasyonda kullanılan donma noktası düşüşü ve ozmotik olayları yönetmektedir.
Tarihçe
Clapeyron, faz sınırı eğimleri için denklemi 1834'te türetmiştir; Gibbs'in 1870'lerdeki faz kuralı, heterojen dengelere titiz bir kombinatoryal yapı kazandırmış ve Roozeboom ile diğer araştırmacılar, metalurji ve kimya için merkezi hale gelen çok bileşenli faz diyagramlarını sistematik olarak oluşturmak için bu kuralı uygulamışlardır.
Öne çıkan isimler
- J. Willard Gibbs
- Benoit Paul Emile Clapeyron
- Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom
İlgili konular
Temel eserler
- atkins2018
- levine2009
Sıkça sorulan sorular
- Bir faz diyagramındaki bir noktanın sıfır serbestlik derecesine sahip olması ne anlama gelmektedir?
- Bu, saf bir maddenin üçlü noktası gibi, sıcaklık ve basıncın her ikisinin de sabit olduğu değişmez bir noktadır; koşullardaki herhangi bir değişiklik, bir arada bulunan fazlardan birinin ortadan kalkmasına neden olmaktadır.
- İki bileşenli bir sıvı karışımı neden bazen damıtma yoluyla tamamen ayrılamamaktadır?
- Bazı karışımlar, buhar ve sıvının aynı bileşime sahip olduğu azeotroplar oluşturmaktadır; bu nedenle, sıradan damıtma, basıncı değiştirmeden veya başka bir bileşen eklemeden karışımı bu noktanın ötesine zenginleştirememektedir.