Компонент (термодинамика)

В термодинамике компонент — это один из набора химически независимых компонентов. ^[а]^[1] системы . Количество компонентов представляет собой минимальное количество независимых химических веществ, необходимое для определения состава всех фаз системы. ^[2]

Расчет количества компонентов в системе необходим при применении правила фаз Гиббса при определении числа степеней свободы системы.

Количество компонентов равно количеству различных химических видов (компонентов) минус количество химических реакций между ними минус количество каких-либо ограничений (таких как нейтральность заряда или баланс молярных количеств).

Расчет

Предположим, что химическая система состоит из $M$ элементов и $N$ химических видов (элементов или соединений). Последние представляют собой комбинации первых, и каждый вид $A i$ можно представить как сумму элементов:

A_{i}=\sum _{j}a_{ij}E_{j},

где $a ij$ – целые числа, обозначающие количество атомов элемента $E j$ в молекуле $A i$ . Каждый вид определяется вектором (строкой этой матрицы), но строки не обязательно линейно независимы . Если ранг матрицы равен $C$ , то существует $C$ линейно независимых векторов, а оставшиеся $NC-$ векторы можно получить путем сложения кратных этих векторов. Химические соединения, представленные этими $векторами C,$ являются компонентами системы. ^[3]

Если, например, это C (в виде графита ), CO ₂ и CO, то

{\begin{bmatrix}1&0\\1&2\\1&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}C\\\\O\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C\\CO_{2}\\CO\end{bmatrix}}.

Поскольку CO можно выразить как CO = (1/2)C + (1/2)CO ₂ , он не является независимым и C и CO можно выбрать в качестве компонентов системы. ^[4]

Есть два способа зависимости векторов. Во-первых, некоторые пары элементов всегда встречаются в одинаковом соотношении у каждого вида. Примером может служить ряд полимеров , состоящих из разного количества одинаковых звеньев. Количество таких ограничений определяется $Z$ . Кроме того, некоторые комбинации элементов могут быть запрещены химической кинетикой. Если число таких ограничений равно $R'$ , то

C=M-Z+R'.

Эквивалентно, если $R$ — количество независимых реакций, которые могут иметь место, то

C=N-Z-R.

Константы связаны соотношением $N-M = R + R'$ . ^[3]

Примеры

СаСО ₃ – СаО – СО ₂Система

Это пример системы с несколькими фазами, которая при обычных температурах представляет собой два твердых тела и газ. Существует три химических вида (CaCO ₃ , CaO и CO ₂ ) и одна реакция:

СаСО ₃ ⇌ СаО + СО ₂ .

Тогда количество компонентов будет 3 – 1 = 2. ^[2]

Система Вода-Водород-Кислород

В расчет включаются только те реакции, которые действительно происходят в данных условиях, а не те, которые могли бы протекать при других условиях, таких как более высокая температура или присутствие катализатора. Например, диссоциация воды на элементы не происходит при обычной температуре, поэтому система вода, водород и кислород при 25 °С имеет 3 независимых компонента. ^[2]^[4]

Водный раствор 4 видов солей.

Рассмотрим водный раствор, содержащий хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (KCl), бромид натрия (NaBr) и бромид калия (KBr), находящиеся в равновесии с соответствующими твердыми фазами. Хотя присутствуют 6 элементов (H, O, Na, K, Cl, Br), их количества не являются независимыми из-за следующих ограничений:

Стехиометрия воды: n(H) = 2n(O). Это ограничение подразумевает, что знание количества одного определяет другое.
Баланс зарядов в растворе: n(Na) + n(K) = n(Cl) + n(Br). Тонкое ограничение подразумевает, что знание количества трех из четырех видов ионов (Na, K, Cl, Br) определяет четвертый.

Следовательно, число независимо переменных составляющих, а значит, и число компонентов, равно 4.

Ссылки

^ В химии компонент — это тип частиц, присутствующих в фазе.

^ «Глава 7 Простые смеси» . Университет Центрального Мичигана . Проверено 8 февраля 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Аткинс, Питер; Паула, Хулио де (10 марта 2006 г.). Физическая химия (8-е изд.). У. Х. Фриман . стр. 175–176. ISBN 9780716787594 . OCLC 972057330 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Зеггерен, Ф. ван; Стори, Ш. (17 февраля 2011 г.). Расчет химического равновесия (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 15–18. ISBN 9780521172257 . OCLC 1161449041 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Чжао, Мую; Ван, Цзычэнь; Сяо, Лянчжи (июль 1992 г.). «Определение количества независимых компонентов методом Бринкли» . Журнал химического образования . 69 (7): 539. Бибкод : 1992JChEd..69..539Z . дои : 10.1021/ed069p539 .

[1] В химии компонент — это тип частиц, присутствующих в фазе.

[2] «Глава 7 Простые смеси» . Университет Центрального Мичигана . Проверено 8 февраля 2024 г.

[Atkins-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Аткинс, Питер; Паула, Хулио де (10 марта 2006 г.). Физическая химия (8-е изд.). У. Х. Фриман . стр. 175–176. ISBN 9780716787594 . OCLC 972057330 .

[van_Zeggeren-4] Перейти обратно: ^а ^б Зеггерен, Ф. ван; Стори, Ш. (17 февраля 2011 г.). Расчет химического равновесия (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 15–18. ISBN 9780521172257 . OCLC 1161449041 .

[Zhao-5] Перейти обратно: ^а ^б Чжао, Мую; Ван, Цзычэнь; Сяо, Лянчжи (июль 1992 г.). «Определение количества независимых компонентов методом Бринкли» . Журнал химического образования . 69 (7): 539. Бибкод : 1992JChEd..69..539Z . дои : 10.1021/ed069p539 .

[а]

[1]

[2]

[3]

[4]