Cân bằng pha và Quy tắc pha

Cân bằng pha mô tả sự cùng tồn tại của chất rắn, chất lỏng, chất khí và dung dịch, và quy tắc pha Gibbs đếm số điều kiện có thể thay đổi tự do trong khi các pha vẫn ở trạng thái cân bằng.

Definition

Cân bằng pha là các điều kiện mà theo đó hai hoặc nhiều pha của vật chất cùng tồn tại ở thế hóa học bằng nhau, và quy tắc pha là mối quan hệ, bậc tự do bằng số cấu tử trừ số pha cộng hai, cố định số lượng các điều kiện cường độ có thể thay đổi độc lập.

Scope

Chủ đề này bao gồm nhiệt động lực học của sự cùng tồn tại pha: sự bằng nhau của thế hóa học giữa các pha, các phương trình Clapeyron và Clausius-Clapeyron điều chỉnh các ranh giới pha, và việc xây dựng và đọc các giản đồ pha cho các chất tinh khiết và hỗn hợp. Nó bao gồm quy tắc pha Gibbs liên hệ bậc tự do với các cấu tử và pha, các tính chất tập hợp, tính tan một phần, điểm eutectic, và quy tắc đòn bẩy, trong khi động học của sự hình thành mầm và phát triển nằm ngoài phạm vi của nó.

Core questions

• Tại sao thế hóa học của mỗi cấu tử phải bằng nhau trong mọi pha cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng?
• Các phương trình Clapeyron và Clausius-Clapeyron mô tả độ dốc của các ranh giới pha như thế nào?
• Quy tắc pha Gibbs đếm bậc tự do trong một hệ dị thể như thế nào?
• Các điểm eutectic, hỗn hợp đẳng phí và tính tan một phần được đọc từ giản đồ pha như thế nào?

Key concepts

• Sự bằng nhau của thế hóa học giữa các pha
• Các phương trình Clapeyron và Clausius-Clapeyron
• Quy tắc pha Gibbs và bậc tự do
• Giản đồ pha, đường liên kết và quy tắc đòn bẩy
• Điểm eutectic, hỗn hợp đẳng phí và các tính chất tập hợp

Key theories

Quy tắc pha Gibbs

Đối với một hệ ở trạng thái cân bằng, số biến cường độ có thể thay đổi độc lập bằng số cấu tử trừ số pha cộng hai, giới hạn số pha có thể cùng tồn tại và cách các giản đồ pha được tổ chức.

Mối quan hệ Clausius-Clapeyron cho các ranh giới pha

Độ dốc của đường cùng tồn tại trong giản đồ áp suất-nhiệt độ được xác định bởi sự thay đổi entropy và thể tích của quá trình chuyển pha; đối với quá trình bay hơi và thăng hoa, điều này rút gọn thành phương trình Clausius-Clapeyron liên hệ áp suất hơi với enthalpy của quá trình chuyển pha.

Clinical relevance

Cân bằng pha điều chỉnh quá trình chưng cất và kết tinh trong sản xuất hóa chất, xử lý hợp kim và gốm sứ trong khoa học vật liệu, sự hình thành khoáng chất trong địa chất, và sự giảm điểm đóng băng và các hiện tượng thẩm thấu được khai thác trong bảo quản lạnh và công thức dược phẩm.

History

Clapeyron đã rút ra phương trình cho độ dốc ranh giới pha vào năm 1834; quy tắc pha Gibbs vào những năm 1870 đã cung cấp cho cân bằng dị thể một cấu trúc tổ hợp chặt chẽ, và Roozeboom cùng những người khác đã áp dụng nó một cách có hệ thống để xây dựng các giản đồ pha đa cấu tử trở thành trung tâm của luyện kim và hóa học.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Một điểm trong giản đồ pha có bậc tự do bằng 0 nghĩa là gì?

Đó là một điểm bất biến, chẳng hạn như điểm ba của một chất tinh khiết, nơi nhiệt độ và áp suất đều cố định; bất kỳ sự thay đổi điều kiện nào cũng buộc một trong các pha cùng tồn tại phải biến mất.

Tại sao hỗn hợp lỏng hai cấu tử đôi khi không thể tách hoàn toàn bằng chưng cất?

Một số hỗn hợp tạo thành hỗn hợp đẳng phí (azeotrope), là các thành phần mà tại đó pha hơi và pha lỏng có thành phần giống hệt nhau, do đó quá trình chưng cất thông thường không thể làm giàu hỗn hợp vượt quá điểm đó nếu không thay đổi áp suất hoặc thêm một cấu tử khác.