Компонент (термодинамика)

Химически инертный компонент системы

В термодинамике компонент — это один из набора химически независимых компонентов ^{[a] [1]} системы . Количество компонентов представляет собой минимальное количество независимых химических видов, необходимых для определения состава всех фаз системы . ^[2]

Расчет числа компонентов в системе необходим при применении правила фаз Гиббса для определения числа степеней свободы системы.

Число компонентов равно числу отдельных химических видов (составляющих) за вычетом числа химических реакций между ними и числа любых ограничений (таких как нейтральность заряда или баланс молярных количеств).

Расчет

Предположим, что химическая система имеет M элементов и N химических видов (элементов или соединений). Последние являются комбинациями первых, и каждый вид A _i может быть представлен в виде суммы элементов:

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

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 могут быть получены путем сложения кратных этих векторов. Химические виды, представленные этими C векторами, являются компонентами системы. ^[3]

Если, например, видами являются C (в форме графита ), CO2 _и CO, то

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

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

Векторы могут быть зависимы двумя способами. Один из них заключается в том, что некоторые пары элементов всегда появляются в одном и том же соотношении в каждом виде. Примером может служить ряд полимеров , которые состоят из разного количества идентичных единиц. Количество таких ограничений задается как Z. Кроме того, некоторые комбинации элементов могут быть запрещены химической кинетикой. Если количество таких ограничений равно R' , то

${\displaystyle C=M-Z+R'.}$

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

${\displaystyle C=N-Z-R.}$

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

Примеры

CaCO3- СаО - СО2система

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

CaCO3 ⇌ CaO _{+ CO2} .

Число компонентов тогда равно 3 - 1 = 2. ^[2]

Система Вода - Водород - Кислород

Реакции, включенные в расчет, — это только те, которые фактически происходят при данных условиях, а не те, которые могли бы происходить при других условиях, таких как более высокая температура или присутствие катализатора. Например, диссоциация воды на ее элементы не происходит при обычной температуре, поэтому система из воды, водорода и кислорода при 25 °C 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), в равновесии с их 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 заряда в растворе: n(Na) + n(K) = n(Cl) + n(Br). Тонкое ограничение подразумевает, что знание количества 3 из 4 ионных видов (Na, K, Cl, Br) определяет четвертый.

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

Ссылки

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

1. "Глава 7 Простые смеси". Центральный Мичиганский университет . Получено 8 февраля 2024 г.
2. Аткинс, Питер; Паула, Хулио де (10 марта 2006 г.). Физическая химия (8-е изд.). WH Freeman . стр. 175–176. ISBN 9780716787594. OCLC  972057330.
3. Zeggeren, F. van; Storey, SH (17 февраля 2011 г.). Вычисление химических равновесий (1-е изд.). Cambridge University Press. стр. 15–18. ISBN 9780521172257. OCLC  1161449041.
4. Zhao, Muyu; Wang, Zichen; Xiao, Liangzhi (июль 1992). «Определение числа независимых компонентов методом Бринкли». Журнал химического образования . 69 (7): 539. Bibcode : 1992JChEd..69..539Z. doi : 10.1021/ed069p539.