Разделение фаз

Создание двух фаз вещества из единой однородной смеси

Смешивание жидкостей А и Б и последующее разделение фаз

При смешивании масло и уксус разделятся по фазам.

Фазовая диаграмма двух изотопов гелия , показывающая внизу диапазон температур и соотношений, при которых они будут разделяться по фазам.

Фазовое разделение – это создание двух отдельных фаз из одной гомогенной смеси . ^[1] Наиболее распространенный тип разделения фаз происходит между двумя несмешивающимися жидкостями, такими как масло и вода. Этот тип фазового разделения известен как равновесие жидкость-жидкость. Коллоиды образуются в результате разделения фаз, хотя не все разделения фаз образуют коллоиды - например, масло и вода могут образовывать отдельные слои под действием силы тяжести, а не оставаться в виде микроскопических капель во взвешенном состоянии.

Распространенная форма спонтанного разделения фаз называется спинодальным распадом ; оно описывается уравнением Кана – Хиллиарда . Области фазовой диаграммы , в которых происходит разделение фаз, называются щелями смешиваемости . Следует отметить две граничные кривые: бинодальную кривую сосуществования и спинодальную кривую . По одну сторону бинодали смеси абсолютно устойчивы. Между бинодалью и спинодалью смеси могут быть метастабильными : оставаться смешанными (или несмешанными) при отсутствии каких-либо серьезных нарушений. Область за спинодальной кривой абсолютно неустойчива и (если исходить из смешанного состояния) будет самопроизвольно разделяться фазы.

Верхняя критическая температура растворения (UCST) и нижняя критическая температура растворения (LCST) — это две критические температуры , выше или ниже которых компоненты смеси смешиваются во всех пропорциях. Системы редко имеют и то, и другое, но некоторые из них существуют: система никотин -вода имеет LCST 61 ° C, а также UCST 210 ° C при давлениях, достаточно высоких для существования жидкой воды при этой температуре. Таким образом, компоненты смешиваются во всех пропорциях ниже 61°С и выше 210°С (при высоком давлении) и частично смешиваются в интервале от 61 до 210°С. ^{[2] [3]}

Физическая основа

Смешивание определяется свободной энергией Гиббса , при этом разделение фаз или смешивание происходит в зависимости от того, в каком случае свободная энергия Гиббса снижается. Свободную энергию можно разложить на две части : , с энтальпией , температурой и энтропией . Таким образом, изменение свободной энергии при смешении представляет собой сумму энтальпии смешения и энтропии смешения . Энтальпия смешения для идеальных смесей равна нулю , а идеальных смесей достаточно для описания многих распространенных растворов. Таким образом, во многих случаях смешение (или разделение фаз) обусловлено прежде всего энтропией смешения. Обычно энтропия увеличивается всякий раз, когда частица (атом, молекула) имеет большее пространство для исследования; и, таким образом, энтропия смешивания обычно положительна: компоненты смеси могут увеличивать свою энтропию, разделяя больший общий объем. ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle G=H-TS}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle S}$

Фазовое разделение тогда обусловлено несколькими различными процессами. В одном случае энтальпия смешения положительна, а температура низкая: прирост энтропии недостаточен для понижения свободной энергии. В другом, значительно более редком случае, энтропия смешения « неблагоприятна », т. е. отрицательна. В этом случае, даже если изменение энтальпии будет отрицательным, разделение фаз произойдет, если температура не будет достаточно низкой. Именно второй случай порождает представление о нижней критической температуре растворения.

Разделение фаз в холодных газах

Смесь двух изотопов гелия ( гелия-3 и гелия-4 ) в определенном диапазоне температур и концентраций разделяется на части. Первоначальная смесь двух изотопов самопроизвольно разделяется на -богатые и -богатые области. ^[4] Фазовое разделение также существует в ультрахолодных газовых системах. ^[5] Это было показано экспериментально в случае двухкомпонентного ультрахолодного ферми-газа . ^{[6] [7]} Фазовое разделение может конкурировать с другими явлениями, такими как образование вихревой решетки или экзотической фазы Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова . ^[8] ${\displaystyle {\ce {^{4}He}}}$ ${\displaystyle {\ce {{}^3He}}}$

Смотрите также

• Биомолекулярный конденсат
• Коллоид
• Фазовая диаграмма
• Правило фаз
• УНИКАК

Рекомендации

1. Ник М., Джират Дж., Косата Б. (1997). «Фазовое разделение». В McNaught AD, Уилкинсон А., Дженкинс А. (ред.). Сборник химической терминологии ИЮПАК («Золотая книга») (2-е изд.). Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. дои : 10.1351/goldbook.P04534. ISBN 0-9678550-9-8.
2. П. В. Аткинс и Дж. де Паула, «Физическая химия Аткинса» (8-е изд., WH Freeman 2006), стр. 186-7
3. М.А. Уайт, Свойства материалов (Oxford University Press, 1999), с. 175
4. Побелл, Фрэнк (2007). Вещество и методы при низких температурах (3-е изд. и расширенное изд.). Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-46356-6. OCLC  122268227.
5. Карлсон, Дж.; Редди, Санджай (2 августа 2005 г.). «Асимметричные двухкомпонентные фермионные системы в сильной связи». Письма о физических отзывах . 95 (6): 060401. arXiv : cond-mat/0503256 . Бибкод : 2005PhRvL..95f0401C. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.060401. PMID  16090928. S2CID  448402.
6. Шин, Ю.; Цвирляйн, МВт; Шунк, Швейцария; Широцек А.; Кеттерле, В. (18 июля 2006 г.). «Наблюдение фазового расслоения в сильно взаимодействующем несбалансированном ферми-газе». Письма о физических отзывах . 97 (3): 030401. arXiv : cond-mat/0606432 . Бибкод : 2006PhRvL..97c0401S. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.030401. PMID  16907486. S2CID  11323402.
7. Цвирляйн, Мартин В.; Широцек, Андре; Шунк, Кристиан Х.; Кеттерле, Вольфганг (27 января 2006 г.). «Фермионная сверхтекучесть с несбалансированными спиновыми населенностями». Наука . 311 (5760): 492–496. arXiv : cond-mat/0511197 . Бибкод : 2006Sci...311..492Z. дои : 10.1126/science.1122318. ISSN  0036-8075. PMID  16373535. S2CID  13801977.
8. Копычинский, Якуб; Пуделко, Войцех Р.; Влазловский, Габриэль (23 ноября 2021 г.). «Вихревая решетка в спин-несбалансированном унитарном ферми-газе». Физический обзор А. 104 (5): 053322. arXiv : 2109.00427 . Бибкод : 2021PhRvA.104e3322K. doi : 10.1103/PhysRevA.104.053322. S2CID  237372963.

дальнейшее чтение

• Хабибуллаев П.К., Саидов А (апрель 2013 г.). Фазовое разделение в физике мягких веществ: мицеллярные растворы, микроэмульсии, критические явления . Берлин Гейдельберг: Springer. ISBN 978-3-662-09278-1.