22.2: Фазові діаграми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24503

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Фазова діаграма являє собою графічне зображення фізичних станів речовини при різних умовах температури і тиску. Типова діаграма стану має тиск на вісь y і температуру на осі х. Коли ми перетинаємо лінії або криві на фазовій діаграмі, відбувається зміна фази. Крім того, два стану речовини співіснують в рівновазі на лініях або кривих.

Вступ

Фазовий перехід - це перехід від одного стану речовини до іншого. Існує три стани речовини: л рідина, тверде тіло, і газ.

Рідина: стан речовини, що складається з пухких, вільних рухомих частинок, які утворюють форму, встановлену межами контейнера, в якому знаходиться рідина. Це відбувається тому, що рух окремих частинок всередині рідини набагато менше обмежений, ніж у твердій речовині. Можна помітити, що деякі рідини протікають легко, тоді як деякі рідини течуть повільно. Відносний опір рідини потоку - в'язкість.
Твердий: стан речовини з щільно упакованими частинками, які не змінюють форму або об'єм контейнера, в якому він знаходиться. Однак це не означає, що обсяг твердого тіла є постійним. Тверді речовини можуть розширюватися і стискатися при зміні температур. Саме тому, коли ви дивитеся вгору щільність твердого тіла, вона буде вказувати температуру, при якій вказано значення щільності. Тверді речовини мають сильні міжмолекулярні сили, які утримують частинки в безпосередній близькості один від одного. Ще одна цікава річ, про яку слід подумати, це те, що всі справжні тверді речовини мають кристалічні структури. Це означає, що їх частинки розташовані в об'ємному, впорядкованому малюнку. Тверді речовини зазнають фазових змін, коли вони стикаються з енергетичними змінами.
Газ: стан речовини, де частинки поширюються без певної форми або обсягу. Частинки газу приймуть форму і заповнить обсяг ємності, в яку він поміщений. У газі немає міжмолекулярних сил, що утримують частинки газу разом, оскільки кожна частинка рухається зі своєю швидкістю у своєму напрямку. Частинки газу часто розділені великими відстанями.

Фазові діаграми ілюструють варіації між станами речовини елементів або сполук, оскільки вони стосуються тиску та температури. Нижче наведено приклад фазової діаграми для загальної однокомпонентної системи:

Фазова діагональ 530px 2.svg.png — Малюнок 1. Загальна діаграма стану

Потрійна точка - точка на фазовій діаграмі, в якій співіснують три стани речовини: газ, рідина та тверде тіло
Критична точка — точка на фазовій діаграмі, в якій речовина не відрізняється між рідким і газоподібним станами.
Крива плавлення (плавлення) (або заморожування) - крива на фазовій діаграмі, яка представляє перехід між рідким і твердим станами
Крива випаровування (або конденсації) - крива на фазовій діаграмі, яка представляє перехід між газоподібним і рідким станами
Крива сублімації (або осадження) - крива на фазовій діаграмі, яка представляє перехід між газоподібним і твердим станами

Фазові діаграми будують тиск (як правило, в атмосферах) проти температури (зазвичай в градусах Цельсія або Кельвіна). Мітки на графіку представляють стійкі стани системи в рівновазі. Лінії представляють комбінації тисків і температур, при яких дві фази можуть існувати в рівновазі. Іншими словами, ці лінії визначають точки фазової зміни. Червона лінія розділяє тверду і газову фази, являє собою сублімацію (тверде до газу) і осадження (від газу до твердого тіла). Зелена лінія розділяє тверду і рідку фази і являє собою плавлення (від твердого до рідкого) і заморожування (від рідини до твердого). Синій розділяє рідку і газову фази, являє собою випаровування (рідина до газу) і конденсацію (від газу до рідини). На діаграмі також є два важливих моменти, потрійна точка і критична точка. Потрійна точка являє собою поєднання тиску і температури, що полегшує всі фази речовини в рівновазі. Критична точка закінчує фазову лінію рідина/газ і відноситься до критичного тиску, тиску, вище якого утворюється надкритична рідина.

У більшості речовин температура і тиск, пов'язані з потрійною точкою, лежать нижче стандартної температури і тиску, а тиск для критичної точки лежить вище стандартного тиску. Тому при стандартному тиску з підвищенням температури більшість речовин змінюються від твердих до рідких на газ, а при стандартній температурі при збільшенні тиску більшість речовин змінюються з газу на рідке на тверде.

Виняток: вода

Зазвичай лінія твердої/рідкої фази нахиляється позитивно вправо (як на діаграмі для вуглекислого газу нижче). Однак для інших речовин, зокрема води, лінія нахиляється вліво, як показує діаграма для води. Це говорить про те, що рідка фаза більш щільна, ніж тверда. Це явище обумовлено кристалічною структурою твердої фази. У твердих формах води та деяких інших речовин молекули кристалізуються в решітці з більшим середнім простором між молекулами, в результаті чого утворюється тверда речовина з меншою щільністю, ніж рідина. Через це явище людина здатна розтопити лід просто застосовуючи тиск, а не додаючи тепла.

Малюнок\(\PageIndex{2a}\): Фазові діаграми для СО ₂

Малюнок:\(\PageIndex{2b}\) Фазові діаграми для H 2 _O

Переміщення про діаграму

Переміщення по фазовій діаграмі розкриває інформацію про фази речовини. Переміщення по постійній температурній лінії виявляє відносні щільності фаз. При русі від нижньої частини схеми до верхньої збільшується відносна щільність. Переміщення по лінії постійного тиску виявляє відносні енергії фаз. При русі зліва діаграми вправо відносні енергії збільшуються.

Важливі визначення

Сублімація - це коли речовина переходить безпосередньо з твердого в газовий стан.
Осадження відбувається, коли речовина переходить з газового стану в твердий; це зворотний процес сублімації.
Плавлення відбувається, коли речовина переходить з твердого стану в рідкий.
Зплавлення - це коли речовина переходить з рідкого в твердий стан, зворотне плавлення.
Випаровування (або випаровування) - це коли речовина переходить з рідини в газоподібний стан.
Конденсація виникає при переході речовини з газоподібного в рідкий стан, зворотне пароутворення.
Критична точка — точка температури та тиску на фазовій діаграмі, де рідка та газова фази речовини зливаються разом в одну фазу. Крім температури критичної точки, злита однофазна відома як надкритична рідина.
Потрійна точка виникає, коли і температура, і тиск трьох фаз речовини співіснують в рівновазі.

Посилання

Котц, Джон К., і Пол молодший. Трейхель. Хімія та хімічна реакційна здатність. N.P.: Сондерс коледжу видавництва, 1999.
Окстобі, Девід В., Г.П. Гілліс та Алан Кемпіон. Принципи сучасної хімії. Белмонт, Каліфорнія: Томсон Брукс/? Коул, 2008.
Петруччі, Ральф та Вільям Харвуд. Джеффрі Оселедець. Джеффрі Мадура. Загальна хімія: принципи та сучасні застосування. 9-е видання. Верхня річка Сідло, Нью-Джерсі: Пірсон, 2007.
Волмер, Джон Дж. «З «тонкого повітря»: Вивчення фазових змін». Дж. Хем. Едук. 2000: 77, 488А.

Проблеми

Уявіть собі речовину з наступними точками на фазовій діаграмі: потрійна точка при 0,5 атм і -5° C; нормальна температура плавлення при 20° C; нормальна температура кипіння при 150° C; і критична точка при 5 атм і 1000° C Лінія твердої рідини є «нормальною» (мається на увазі позитивний нахил). Для цього виконайте наступне:

1. Приблизно намалюйте діаграму стану, використовуючи одиниці атмосфери і Кельвіна.

Відповідь: 1-тверда, 2-рідина, 3-газ, 4-надкритична рідина, точка O потрійна точка, C-критична точка -78,5° C (Фаза сухого льоду змінюється від твердого до газового при -78,5° C)

2. Ранжируйте стани щодо збільшення щільності і збільшення енергії.

3. Опишіть, що можна було б бачити при тиску і температурі вище 5 атм і 1000° C.

Відповідь: Можна було б побачити надкритичну рідину, наближаючись до точки, можна було б побачити, як меніск між рідиною і газом зникає.

4. Опишіть, що станеться з речовиною, коли вона почнеться у вакуумі при -15° C і повільно знаходиться під тиском.

Відповідь: Речовина почнеться як газ, і зі збільшенням тиску вона стискається і врешті-решт затвердіє без розрідження, оскільки температура нижче температури потрійної точки.

5. Опишіть фазові зміни від -80°C до 500°C при 2 атм.

Відповідь: Речовина плавиться десь навколо, але вище 20° C, а потім кипить десь навколо, але вище 150° C. вона не утворювала б надкритичної рідини, оскільки ні тиск, ні температура не досягають критичного тиску або температури.

6. Що існує в системі, яка знаходиться на 1 атм і 150°?

Відповідь: Залежно від того, скільки енергії в системі, буде різна кількість рідини і газу при рівновазі. Якщо було додано достатньо енергії, щоб підняти температуру рідини до 150° C, буде просто рідина. Якщо було додано більше, буде трохи рідини і трохи газу. Якщо просто було додано достатньо енергії, щоб змінити стан всієї рідини без підвищення температури газу, буде просто газ.

7. Позначте область 1, 2, 3 і 4 і точки O і C на схемі.

8. Зразок сухого льоду (твердого СО ₂) охолоджують до -100 °С і встановлюють на стіл при кімнатній температурі (25 °С). При якій температурі швидкість сублімації і осадження однакова? (Припустимо, тиск тримається постійним на рівні 1 атм).

Автори та атрибуція

Метью МакКіннелл (UCD), Джессі Верхейн (UCD), Пей Ю (UCD), Лок Ка Чан (UCD), Джессіка Дхалівал (UCD), Шайалл Бхела (UCD), Кендіс Вонг-Сінг (UCD)