Фізична і колоїдна хімія Теми 17-18 (лекція)

Тема 17-18: Класифікація гетерогенних систем.       Однокомпонентні і двокомпонентні системи.

   Існують системи гомогенні і гетерогенні.

    Гомогенна система – це система, в якої відсутня поверхня поділу між окремими її частинами, що відрізняються за своїми властивостями. Наприклад, лід, рідка вода, водяна пара, рідкий або твердий розчин, розплав, суміш газів, кристал будь-якої речовини та ін.

   Гетерогенними називають такі системи, окремі частини яких неоднакові за своїм складом і властивостями (наприклад, рідина і пара, насичений розчин у рівновазі з кристалами і парою та ін.).

Між окремими однорідними ділянками гетерогенних систем (фазами) існують межі поділу.

Під фазами розуміють гомогенні частини системи, які мають в однорідному полі однакові фізичні і хімічні властивості і відокремлені одна від одної поверхнею поділу.

Хімічно однорідна складова частина системи, яка може бути виділена з неї і здатна існувати в ізольованому вигляді тривалий час, називається незалежним компонентом або просто компонентом.

В гетерогенних системах можливі, з одного боку, переходи речовини з однієї фази в іншу (агрегатні перетворення, розчинення твердих речовин, перерозподіл розчиненої речовини між двома розчинниками та ін.), а з другого боку – хімічні реакції.

   Системи, складові частини яких не вступають в хімічну реакцію, називаються фізичними системами. В таких системах число компонентів дорівнює числу складових частин. У випадку, коли між компонентами відбувається хімічна взаємодія, деякі з компонентів системи перестають бути незалежними. При цьому кількість компонентів зменшується на кількість хімічних реакцій, що відбуваються в системі.

Так, система, яка складається з розплаву чотирьох речовин (K₂SO₄, CaSO₄, K₂SiO₃, CaSiO₃), є трикомпонентною внаслідок того, що один з компонентів системи утворюється в результаті обмінної реакції:

Такі системи називаються хімічними системами.

Якщо можливі декілька хімічних реакцій, які відбуваються, наприклад, в системі оксиду кальцію і діоксиду силіцію:

число компонентів 6 (CaO, SiO₂, CaSiO₃, Ca₂SiO₄, Ca₃SiO₅, Ca₃Si₂O₇) зменшується на число реакцій 4, тобто кількість компонентів складає:

У цьому випадку незалежними компонентами будуть СаО і SiO₂. отже, властивості системи визначаються числом її компонентів. Слід відмітити, що йони електролітів не є компонентами, бо довго в ізольованому стані існувати не можуть.

Залежно від кількості компонентів системи поділяються на однокомпонентні, дво-, три- і багатокомпонентні.

Для водної сольової системи число незалежних компонентів, включаючи воду, дорівнює числу різних йонів, що входять у систему. Наприклад, у водної взаємній системі солей:

NaCl + KNO₃ L KCl + NaNO₃

число речовин дорівнює п’яти (чотири солі і вода) і можлива одна реакція, тому система є чотирьохкомпонентною.

Водні сольові системи позначають різними способами, наприклад:

або

а взаємну систему:

NaCl + KNO3 L KCl + NaNO3	в Н2О
або
або

Умова рівноваги багатофазної замкненої системи визначається законом рівноваги фаз, який називається правилом фаз Гіббса. За цим законом кількість ступенів вільності замкненої системи в стані рівноваги зростає із збільшенням кількості компонентів у системі і зменшується із збільшенням кількості фаз. Один ступінь вільності відповідає одному незалежному компоненту або одній фазі:

 (4.1)

де С – кількість ступенів вільності системи; К – кількість незалежних компонентів у системі; Ф – кількість фаз у системі, що перебувають у стані рівноваги; 2 – незалежні параметри системи (температура і тиск).

Під ступенем вільності розуміють незалежну інтенсивну властивість замкненої системи, яка може набувати значень без зміни кількості фаз у системі.

Кількістю ступенів вільності системи називають найменше число параметрів, які характеризують стан системи.

Відповідно до кількості ступенів вільності рівноважних фізико-хімічних систем, вони поділяються на: безваріантні, одноваріантні, двоваріантні тощо.

Безваріантними (інваріантними, нонваріантними) називають системи, у яких відсутні ступені вільності, тобто С = 0. Це означає, що система з такою кількістю фаз (число фаз в системі на два більше числа компонентів) може існувати за конкретно заданих умов (температура, тиск, концентрація) і зміна навіть одного параметра викличе зникнення, щонайменше, однієї фази.

Якщо кількість фаз в системі на одиницю більша числа компонентів, число ступенів вільності буде дорівнювати одиниці (одноваріантна або моноваріантна система). В даному випадку тільки один параметр може бути обраний довільно без зміни числа фаз в системі, величини ж інших параметрів набувають цілком певних значень залежно від обраного значення першого параметра.

Якщо кількість фаз у системі дорівнює кількості компонентів, число ступенів вільності дорівнює двом: два параметри можуть бути обрані довільно без зміни числа фаз системи – система буде двоваріантною (диваріантною).

Якщо число фаз системи на одиницю менша числа компонентів, система буде мати три ступені вільності тобто вона триваріантна і т.д.

Для систем, які плавляться при високих температурах (конденсовані системи), один з параметрів стану системи – тиск – зберігає постійне значення. В такому випадку кількість незалежних параметрів зменшується на одиницю, і газ як фазу не враховують. Тоді рівняння правила фаз набуває вигляду:

 (4.2)

Однокомпонентні системи. В однокомпонентних системах окремі фази є однією і тією ж речовиною, яка знаходиться в різних агрегатних станах (твердий, рідкий і газоподібний).

Щоб знайти залежність між значеннями змінних, які визначають стан системи, вимірюють температуру, тиск і концентрацію або об’єм компонентів рівноважних систем. Отримані дані використовують для побудови діаграм стану, які є графічним виразом досліджуваних закономірностей.

У випадку однокомпонентної системи в рівняння стану входять три змінні, наприклад, температура Т, тиск Р і концентрація С, або Т, Р і мольний об’єм V. Будь-які з них розглядаються як незалежні змінні, а третя як їх функція. В більшості випадків у якості незалежних змінних обирають температуру і тиск. Відкладаючи значення цих двох змінних по двох осях прямокутної системи координат, отримують двомірну (площинну) діаграму.

У технологічних процесах часто необхідно здійснювати розділення гетерогенних систем, методи і апаратура для яких класифікуються в першу чергу за природою рушійної сили процесу (табл. 3.2).

Таблиця 3.1 - Класифікація гетерогенних систем

Дисперсійне середовище	Стан дисперсної фази	Найменування гетерогенної системи	Розмір частинок дисперсної фази, мкм
Газ	Твердий	Пил	5...100
Твердий	Дим	0,3...5
Рідкий	Туман	0,3...3
Рідина	Твердий	Суспензія:
груба	>100
тонка	0,5 ...100
муть	0,1...0,5
Колоїдний розчин	<0,1(з виникненням броунівського руху)
Рідкий	Емульсія	<0,5
Газоподібний	Піна	-

 Окрім перерахованих процесів для розділення застосовується ряд інших, наприклад промивання газів (мокре розділення) для димів і туманів.

Як правило, вибір процесу і апаратура для розділення гетерогенних систем визначається розмірами дисперсної фази, фізичними властивостями фаз, що розділяються, енерговитратами на його реалізацію. 

Таблиця 3.2 – Класифікація процесів і апаратів для розділення гетерогенних систем

Рушійна сила	Гетерогенна система	Процес	Апарат
Сила тяжіння	Пил	Осадження	Пилоосадова камера
Суспензія	Відстоювання	Відстійник
Емульсія	Відстоювання	Відстійник
Різниця тиску	Суспензія	Фільтрування	Фільтр рідинний
Пил	Фільтрування	Фільтр газовий
Відцентрова сила	Суспензія	Центрифугування (відстійне або фільтруюче) Циклонний	Центрифуга     Гідроциклон
Пил	Циклонний	Циклон
Емульсія	Центрифугування (відстійне) Циклонний	Сепаратор   Гідроциклон
Сила електричного поля	Дим	Осадження	Електрофільтр сухий
Туман	Осадження	Електрофільтр мокрий

Ознайомтися з лекційним матеріалом. Законспектуйте основні поняття, формули та приклади. Підготуйтися до тестування. Зроблені вами стислі конспекти надішліть на Viber за номером +380997066912.