Химическое, фазовое и адсорбционное равновесия

Освоение изложенного материала позволит:

знать химические потециалы как частные производные энергии Гиббса и как критерии химического равновесия. Определение константы равновесия /С. или К с учетом коэффициентов активности. Расчет химического равновесия из изотермы Вант-Гоффа. Возможность смещения химического равновесия при изменении концентрации реагентов, удалении продуктов реакции, увеличении давления или в присутствии катализаторов в гомогенной или гетерогенной системах. Оценивать фазовые переходы, правило фаз Гиббса, число термодинамических степеней свободы (вариантность системы);

уметь изобразить диаграмму состояния воды, показав линии сублимации, плавления, испарения и критическую точку. Применить правило фаз Гиббса к двухкомпонентным системам, в том числе к кристаллизации сплавов (цветных металлов, чугуна и стали);

владеть теоретическими представлениями о формировании сплавов чугуна, стали и т. д.

Любая химическая реакция и многие процессы, протекающие в растворах, характеризуются изменениями их состава. Поэтому, например, изменение энергии Гиббса произвольной массы раствора будет зависеть не только от температуры (Т) и давления (р), но и от суммарной массы и состава раствора, т. е. от количества каждого из входящих в него веществ (этот вывод справедлив для любого экстенсивного свойства, в частности U и Я):

где m_v m_v … — массы веществ; x_v ц₉,… — коэффициенты пропорциональности между dG и dm.

Из приведенного уравнения следует, что р_;. (величина, называемая химическим потенциалом) — это частная про-

изводная энергии Гиббса по массе i-го вещества при постоянстве температуры и давления системы и масс остальных веществ (индекс j):

или при р, Т = const.

Величину энергии любого вида можно рассматривать как произведение двух величин — интенсивного свойства (фактора интенсивности) и экстенсивного свойства (фактора емкости). Так, механическая энергия перемещения определяется произведением силы Fua приращение пути dl, поверхностная — произведением поверхностного натяжения, а на изменение поверхности dS, объемная — произведением давления р на изменение объема dV, электрическая — произведением э.д.с. (Е) на количество электричества dq_y химическая — произведением химического потенциала р. вещества на изменение его массы dm.

Каждый раз, когда две системы с различными потенциалами вступают во взаимодействие, происходит выравнивание потенциалов за счет изменения соответствующих факторов емкости. Так, давление выравнивается за счет изменения объема, химические потенциалы — за счет изменения массы (концентрации) вещества. Поэтому химический потенциал является движущей силой процессов, связанных с превращением веществ. Если эти процессы происходят в гомогенной среде, то они приводят к установлению химического равновесия; в гетерогенной среде они приводят к фазовому равновесию.