Při popisu mnoha fyzikálních a chemických systémů se používá koncept fáze.
Fáze systému může být plyn nebo směs plynů, kapalina (nebo kapalný roztok) nebo pevná látka (nebo pevný roztok). V každém případě, aby představovala samostatnou fázi, musí být taková složka systému homogenní. Každá z pevných látek a každá z nemísitelných kapalin je samostatná fáze.
Systém tvořený vodou a tajícím ledem se skládá ze dvou fází, jelikož voda a led jsou sice složením stejné, ale mají různé struktury, navíc mezi nimi existuje rozhraní. Vzduch, kyselina chlorovodíková, vodný roztok manganistanu draselného okyselený kyselinou sírovou – systémy skládající se z jedné fáze; neexistují žádné hranice rozhraní a v jakékoli části takového systému je složení a struktura stejné.
V uvedené definici pojmu „fáze“ existují některé znaky, které neumožňují považovat tuto definici za vyčerpávající. Jedná se především o požadavek, aby složení a struktura fáze byly totožné. Platí pouze pro fáze rovnovážných soustav. Pokud v systému dojde k chemické reakci nebo jednoduše k rozpuštění pevné látky v kapalině, pak fáze nemusí být homogenní. Navíc by objemy porovnávané homogenní fáze neměly být úměrné velikosti částic (molekul, iontů), které tuto fázi tvoří – jinak se jakákoliv fáze ukáže jako nehomogenní. Další problémy související s pojmem „fáze“ jsou zvažovány na univerzitách při studiu kurzu fyzikální a chemické analýzy.
Podle počtu fází se systémy dělí na homogenní и heterogenní.
| Homogenní systém – systém skládající se z jedné fáze. Heterogenní systém – systém sestávající ze dvou nebo více fází. |
Fáze může být solidní nebo rozptýlené (roztříštěné na mnoho jednotlivých částic). Za spojitou fázi se považuje fáze, z jejíhož kteréhokoli bodu se můžete dostat do jakéhokoli jiného bodu, aniž byste překročili mezifázovou hranici.
Homogenní systém může být tvořen pouze spojitou fází.
Heterogenní systém může být tvořen kontinuálními i dispergovanými fázemi.
Voda se zinkovým plátem je heterogenní systém sestávající ze dvou spojitých fází; Pokud do stejné vody přidáte zinkový prach nebo jednoduše umístíte jednotlivé zinkové granule, pak v takovém systému dojde k rozptýlení jedné z fází.
Často se nazývají spojité fáze heterogenních systémů (a někdy i homogenní). středy, například: „kapalné médium“, „pevné médium“, „vodné médium“ atd.
19.2. Disperzní systémy
Heterogenní systémy obsahující dispergované fáze se nazývají rozptýlené systémy. V tomto případě se nazývá spojitá fáze dispergovaného systému disperzní médium.
Názvy některých disperzních systémů s různým stavem agregace disperzního prostředí a disperzní fáze jsou uvedeny v tabulce 2.
Tabulka 2.Názvy disperzních systémů
Mlhy и kouří mít společné jméno – aerosoly. Právě ony (v tomto případě mlhy) vznikají při vypouštění obsahu aerosolových nádobek do ovzduší. Výpary vznikají nejen při hoření paliva, ale také v důsledku mnoha dalších chemických reakcí, například při reakci chlorovodíku s čpavkem.
К emulze To zahrnuje běžné mléko a mnoho technických emulzí, například ty, které se používají k mazání a chlazení řezných nástrojů (emulze strojního oleje ve vodě).
Příklad hrubého pozastavení Používá se konstrukční „malta“ (suspenze písku a cementu ve vodě), jemně rozptýlená barva je olejová barva (suspenze pigmentu ve vysychajícím oleji). Když malta ztuhne a olejová barva „zaschne“, změní se v disperzní systémy s pevným disperzním médiem. Některé slitiny a mnoho hornin patří do stejné skupiny rozptýlených systémů.
Příklady tekuté pěny – mýdlo, pivo, kvas a jiné pěny. Pevné pěny jsou polystyrenová pěna, polyethylenová pěna, polyuretanová pěna a některé stavební izolační materiály. Naproti tomu běžná koupelová houba je disperzní systém se dvěma vzájemně se prostupujícími disperzními médii. Některá léčiva se vyrábějí ve formě disperzních systémů s kapalnou disperzní fází a pevným disperzním médiem.
Při používání terminologie uvedené v tomto odstavci byste měli mít na paměti, že se ne vždy používá správně, zejména v technice. Stavební „malta“ tedy vůbec není řešením, ale hrubým zavěšením. Fotografická „emulze“ není v žádném případě emulze, ale disperzní systém s pevnou disperzní fází (u černobílé fotografie bromid stříbrný) a pevným disperzním médiem, jehož hlavní složkou je živočišný protein kolagen. Barva na vodní bázi (správný název je vodní disperze) není emulze, ale je to disperze pevných částic pigmentu a pojiva ve vodě.
19.3. Koloidní roztoky
Skutečná řešení jsou homogenní systémy. Částice, které je tvoří, jsou smíchány na atomově-molekulární úrovni. Kromě takových roztoků existují navenek homogenní systémy obsahující velmi malé částice různé fáze, které však nejsou jednotlivými molekulami nebo ionty. Takové heterogenní systémy se nazývají koloidní roztoky (novější název – lyosolů).
Částice v koloidních roztocích nelze oddělit filtrací. Pokud se usadí, jde to velmi pomalu (někdy to trvá i několik let). Konvenční odstředivky také zpravidla neumožňují separaci koloidního roztoku. Někdy je to možné pomocí takzvaných „ultracentrifug“ – odstředivek s velmi vysokou rychlostí otáčení. Tato stabilita koloidních roztoků je spojena nejen s malými rozměry pevných částic (přibližně od 10 do 1000 E), ale také s poměrně složitými elektrofyzikálními jevy na jejich povrchu, vedoucími k vzájemnému odpuzování koloidních částic.
| Fáze, homogenní systém, heterogenní systém, spojitá fáze, disperzní fáze, disperzní systém, disperzní médium, aerosol, emulze, suspenze, kapalná pěna, pevná pěna, koloidní roztok (lyosol). |
Abychom vám mohli poskytovat vysoce kvalitní informace, používáme soubory cookie, které jsou uloženy ve vašem počítači (informace o poloze; IP adresa; typ, jazyk, verze operačního systému a prohlížeče; typ zařízení a rozlišení obrazovky; zdroj, ze kterého web pochází uživatel; jaké stránky uživatel otevírá a na která tlačítka klikne; stejné informace se používají ke zpracování statistických údajů o používání webu prostřednictvím internetových služeb Google Analytics a Yandex.Metrica). Kliknutím na tlačítko „SOUHLASÍM“ potvrzujete, že jste informováni o používání cookies na našem webu. Soubory cookie můžete zakázat v nastavení prohlížeče.
Server vzniká za podpory Ruské nadace pro základní výzkum
Kopírování materiálů a zveřejňování na jiných webových stránkách není povoleno.
Webdesign: Copyright (C) I. Minyailova a V. Minyailov
Copyright (C) Fakulta chemie Moskevské státní univerzity
Napište dopis redakci
VÝROBCE
specializovaná chemie
Homogenní a heterogenní systémy
Zvažování jevů a procesů by mělo být vícevrstvé. Je třeba vzít v úvahu vlastnosti mikroskopické i makroskopické povahy. Jak naznačují samotné názvy, toto dělení se provádí dělením pořadí analyzovaných prvků. Makroskopické pole, úzce související s termodynamikou chemických reakcí, umožňuje pozorování a měření fyzikálních a chemických vlastností, jako je například hustota, teplota nebo rozpustnost. V případě mikroskopické analýzy lze pozorovat pohyby molekul a jejich interakce. Molekuly můžeme popsat z hlediska jejich rychlosti a kinetické energie. Pokud je oblastí našeho zájmu směs, musíme zvážit její homogenitu a tedy typ systému, ve kterém je přítomna.
Klasifikace fyzikálně-chemických systémů
Při uvažování o homogenitě materiálových systémů v makroskopickém měřítku dochází k rozdělení na dvě hlavní skupiny – heterogenní a homogenní systémy. Jsou kategorizovány podle jejich fyzikálních vlastností – fyzikálního stavu, rozpustnosti, bodu tání, které se liší nebo ne. Každý systém se skládá ze všech látek zapojených do reakce nebo procesu. Jasně odlišitelná část systému, vyznačující se zachováním stejných vlastností, se nazývá fáze. Existují tři hlavní typy fází – pevná, kapalná a plynná. Povrch mezi nimi a zbytkem systému je fázovou hranicí. V závislosti na entropii (ΔS) nebo volné entalpii (ΔG), pokud ΔS>0 nebo ΔG
Fázový diagram
Fázový diagram je grafické znázornění výskytu různých fází. Zohledňuje výskyt těchto fází při dosažení určitých teplotních a tlakových rozsahů a také jejich vzájemné změny. Schématický fázový diagram pro jednosložkový systém ilustruje přítomnost tří hlavních fází v závislosti na podmínkách procesu. Čáry na něm označují stavy rovnováhy mezi odpovídajícími dvěma fázemi, tj. mezi pevnou látkou a plynem, mezi pevnou látkou a kapalinou, mezi plynem a kapalinou. Při znalosti jednoho z kritických parametrů je možné určit podmínky, za kterých dojde k tání, tuhnutí, vypařování, kondenzaci, sublimaci a resublimaci popisované složky. Kromě toho je na grafu trojitý bod, kde se všechny fázové čáry sbíhají, což znamená, že tři fáze mohou za určitých podmínek koexistovat současně. Diagram také obsahuje dva velmi důležité body – kritický tlak a kritickou teplotu. Kritický tlak definuje bod, který odráží maximální tlak, při kterém se kapalina může změnit v plyn, nebo maximální možný tlak nasycených par nad kapalinou. Na druhé straně koncept kritické teploty definuje nejvyšší teplotu, při které může plyn kondenzovat při zvýšení tlaku. Kritický bod, umístěný na kritické teplotě a kritickém tlaku, tedy popisuje stav, ve kterém nelze rozlišit kapalnou a plynnou fázi.
Gibbsovo fázové pravidlo
Toto je specifický vztah, který platí pro každý systém v termodynamické rovnováze. Rovnice definující toto pravidlo zahrnuje počet fází (f) přítomných v systému s počtem nezávislých složek (n) a počtem stupňů volnosti (s). Číslo s odpovídá počtu regulovaných intenzivních veličin, jejichž změna nepovede k porušení počtu fází v rovnováze izolované soustavy. Intenzivní proměnné jsou všechny fyzikální veličiny, které na systému nijak nezávisí, například geometrické rozměry a objem, dále počet molekul v systému, jeho hmotnost, měrná tepelná kapacita a podobně. Rovnice má následující tvar:
Nezávislé komponenty systému, označené písmenem n, v praxi znamenají nejmenší počet komponent uvažovaného systému, který je nutný k sestrojení kterékoli z jeho fází v libovolném množství. Uvažujeme-li systém, jehož složky mohou mezi sebou reagovat, pak počet n vypočteme odečtením počtu nezávislých reakčních rovnic od celkového počtu složek tvořících tento systém. To znamená, že pokud jde o reakci ve tvaru:
počet nezávislých rovnic je 1, uvažujeme specifickou reakci probíhající v systému. Nezávislá rovnice je jakýkoli systém chemických rovnic, ve kterém není možné získat žádnou z nich kombinací ostatních. Přestože počet komponent pro tento systém je 3, je přítomen CaCO3, CaO a CO2. Díky těmto informacím je také možné vypočítat počet nezávislých komponent:
n = počet složek – počet nezávislých rovnic, proto:
Pomocí stejného příkladu můžete také vypočítat počet stupňů volnosti pomocí rovnice pro Gibbsovo fázové pravidlo:
s = n – f + 2 = 2 – 3 + 2 = 1
Tato hodnota znamená, že pro udržení stability počtu fází v rovnováze systému lze provozovat pouze jednu intenzivní proměnnou.
Heterogenní systém
Každý systém, který má více než jednu fázi a je tedy heterogenním systémem, je také heterogenní. Nezáleží na tom, jaké jsou fáze – heterogenní systém může současně obsahovat několik pevných a kapalných fází, ale pouze jednu plynnou fázi. To se děje proto, že se plyny dokonale mísí.
Zajímavým příkladem heterogenního systému je žula – obsahuje mnoho pevných fází, včetně křemene, draselného živce, plagioklasu a biotitu. Mnoho potravin lze také nazvat heterogenními – ideálním příkladem jsou vícesložkové müsli nebo salátové dresinky z tuku, koření a dalších přísad.
Zajímavým typem heterogenních směsí jsou koloidy, tedy roztoky, ve kterých je nutné rozlišit složky pomocí mikroskopu. Ve většině případů je však lze oddělit pomocí jednoduchých metod nebo jednoduchých nástrojů. Například k oddělení směsi vody a oleje můžete použít dekantaci – složky jsou viditelné pouhým okem. Další způsoby účinné pro separaci heterogenních směsí zahrnují filtraci, mechanickou separaci a centrifugaci. Totéž platí pro směs minerálů, které se liší vlastnostmi – křemen, slída a živec lze oddělit i kladivem.
Homogenní systém
Na rozdíl od heterogenního systému se homogenní systém vyznačuje obsahem pouze jedné fáze – je homogenní. V tomto případě není možné rozeznat komponenty v systému pouhým okem. Jednoduché separační metody jsou navíc neúčinné a užitečné mohou být pouze metody založené na fyzikálních vlastnostech. Příkladem takového způsobu je separace destilací na základě různých bodů varu daného systému. Dalšími metodami účinnými pro separaci homogenních směsí jsou krystalizace a chromatografie. Speciálním typem homogenního systému je čistá látka, jejíž jedna fáze obsahuje pouze jednu složku. Dalším případem jsou všelijaké homogenní roztoky a směsi – i přes jednu fázi může systém obsahovat mnoho složek. Vzhledem k tomu, že fáze přítomná v systému může být buď kapalina, pevná látka nebo plyn, mohou mít roztoky také takové formy. Příkladem takových systémů jsou kapalné směsi – ocet, voda, směsi plynů – atmosférický vzduch, dále směsi pevných látek, včetně minerálních rud a všech druhů slitin, jako je bronz nebo mosaz.
Změny v systémech
V systémech mohou nastat dva typy přeměn: fázová, méně běžně nazývaná fyzikální, a chemická. První zahrnuje všechny změny, které nevedou ke vzniku nových chemikálií. Také se nevyznačují vymizením již přítomných složek. Jak však název napovídá, vedou k takovým změnám, pokud jde o stav agregace nebo struktury. Je také možné, že se vytvoří nová fáze se současným zánikem fáze původní. Příklady fázových přeměn jsou resublimace a polymorfní přeměny prvků. Chemické přeměny mají zcela jiný mechanismus. Jsou to reakce, v jejichž důsledku vznikají místo toho původní složky, nové látky. K takovým přeměnám může docházet dvěma způsoby – například při hydrolýze v jedné nebo více fázích a při spalování.
