مقدمة لقاعدة الطور

بالتأكيد ، إليك ملاحظات الدراسة التي طلبتها:

مقدمة لقاعدة الطور

• تم استنتاج قاعدة الطور لأول مرة من قبل جي دبليو جيبس في عام 1876.
• عادة ما يتم كتابة القاعدة في شكل معادلة بسيطة: P + F = C + 2، حيث P تمثل عدد الأطوار، و F تمثل عدد درجات الحرية، و C تمثل عدد مكونات النظام في حالة اتزان.
• ينطبق القانون على جميع الأنظمة العيانية في حالة اتزان غير متجانس.
• يتأثر القانون فقط بالتغيرات في الضغط ودرجة الحرارة والتركيز.
• يُفترض أن الاتزان لا يتأثر بقوى الجاذبية أو الكهربائية أو المغناطيسية أو السطحية.

المصطلحات الأساسية لقاعدة الطور

توازن متجانس

• يُعتبر النظام متجانسًا عندما يكون موحدًا في جميع أنحاء حجمه، أي أن خصائصه هي نفسها في جميع الأجزاء.
• لا يشمل النظام المتجانس نوعًا واحدًا من الجزيئات.
• يُطلق على أي توازن يحدث في نظام متجانس اسم التوازن المتجانس.
• مثال على ذلك: ‎CH3COOCH3 ⇌ CH3COOH + CH3OH‎

توازن غير متجانس

• يتكون النظام غير المتجانس من منطقتين أو أكثر متميزة متجانسة.

• مثال على ذلك: الجليد والماء، أو رابع كلوريد الكربون والماء.

• يتم فصل المناطق أو الأطوار المتجانسة عن بعضها البعض بواسطة أسطح أو واجهات تحدث عندها تغييرات مفاجئة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية.

• يسمى أي توازن يوجد بين المناطق أو الأطوار المتميزة فيزيائيًا المختلفة بالتوازن غير المتجانس.

الظروف اللازمة لمناقشة نظام في حالة اتزان غير متجانس

• التوازن الحراري: يوجد عندما لا يكون هناك تدفق للحرارة من جزء من النظام إلى جزء آخر.
  • بالنسبة لمرحلتين α و β، يكون التوازن هو Tα = Tβ.
• التوازن الميكانيكي: يوجد عندما يكون الضغط ثابتًا في جميع أجزاء النظام.
  • بالنسبة لمرحلتين α و β، يكون التوازن هو Pα = Pβ.
• التوازن الكيميائي: يوجد عندما يكون معدل كل تفاعل أمامي مساويًا لمعدل التفاعل العكسي المقابل، أي التبادل الديناميكي والعاكس للمادة بين الأجزاء المختلفة من النظام.

الاحتمالات المختلفة التي يتم النظر فيها في حالة الاتزان

حالة الاتزان الحقيقي

• توجد الحالة عندما يكون النظام في حالة اتزان حراري وميكانيكي وكيميائي.
• إذا تم تغيير الظروف الخارجية ثم إعادتها إلى قيمها الأصلية، فسيتم إعطاء نفس الحالة مرة أخرى.
• مثال: ملح في حالة تلامس مع محلوله المشبع يشكل نظامًا من هذا النوع.

حالة الاتزان غير المستقر

• توجد الحالة عندما يكون النظام في حالة اتزان حراري وميكانيكي وكيميائي ولكنه ليس في الحالة الأكثر استقرارًا.
• مثال: الماء السائل وبخاره في حالة اتزان غير مستقر عند -1 درجة مئوية (حالة يتم تحقيقها عن طريق التبريد الفائق).
  • إذا انخفض الضغط، سيتبخر بعض السائل، وإذا زاد الضغط، سوف يتكاثف بعض البخار.
• يكون النظام مستقرًا إذا لم يتم إزعاجه عن طريق الاهتزاز أو التحريك، أي أنه في حالة اتزان حقيقي ولكنه ليس في حالة الاتزان الأكثر استقرارًا.
• مثال: إذا تم إدخال بلورة صغيرة من الجليد، فسوف يتجمد الماء وترتفع درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية.

حالة الاتزان الظاهري

• تنشأ الحالة عندما يكون الاقتراب من موضع الاتزان بطيئًا جدًا بحيث لا يمكن اكتشافه.

• مثال: يقال أن الهيدروجين والأكسجين والماء في وعاء مغلق في حالة اتزان عندما تكون الغازات الحرة والمذابة في حالة اتزان، وإذا تم إطلاق شرارة، فإن هذا التفاعل يسير بسرعة كبيرة.

• لا يمكن لقاعدة الطور أن تميز بين حالة الاتزان غير المستقرة وحالة الاتزان الحقيقي نظرًا لأن كلتا الحالتين عبارة عن حالات اتزان.

• يمكن تطبيق القاعدة فقط على حالات الاتزان الظاهري إذا كان التفاعل بطيئًا جدًا.

النظام

• تعريف: مادة أو خليط من المواد معزولة (بطريقة ما) عن جميع المواد الأخرى.
  • يشير "نظام الماء" إلى أن المادة الكيميائية، الماء، قد تم فصلها عن جميع المواد الأخرى.
  • يمكن ملاحظة تغيير الضغط ودرجة الحرارة في الأطوار المختلفة.

الأطوار (P)

• تعريف: جزء متجانس ومتميز فيزيائيًا وقابل للفصل ميكانيكيًا من النظام.
• يجب فصل كل طور عن الأطوار الأخرى بواسطة حد مادي.
• يشمل مصطلح "قابل للفصل ميكانيكيًا" عمليات مثل:
  • قطف البلورات يدويًا حسب الشكل.
  • الترشيح.
  • فصل طورين سائلين، والذي يمكن إجراؤه دون التدخل في الضغط أو درجة الحرارة أو تركيبة الأطوار (مثل التقطير التجزيئي أو استخلاص المذيبات).

أمثلة على ذلك:

• الجليد/الماء السائل/بخار الماء → ثلاثة أطوار.
• أي عدد من الغازات يختلط بجميع النسب → طور واحد.
• محلول ملح مشبع → محلول ثلاثي الأطوار، مادة صلبة غير مذابة وبخار.
• ‎CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)‎ → ثلاثة أطوار، مادتان صلبتان مختلفتان وغاز.
• الزئبق/رابع كلوريد الكربون/الماء → نظام رباعي الأطوار، السوائل الثلاثة غير قابلة للامتزاج ولكنها تشكل طور بخار واحد فقط.

عوامل التكوين (C)

• تعريف:
  • (أ) عدد المكونات لنظام في حالة اتزان هو أصغر عدد من المكونات المتغيرة بشكل مستقل والتي يمكن من خلالها التعبير عن تركيبة كل طور موجود إما مباشرة أو في شكل معادلة كيميائية.
  • (ب) عدد المكونات في النظام هو الحد الأدنى لعدد أنواع الجزيئات التي يمكن من خلالها التعبير كميًا عن تركيب جميع الأطوار.

أمثلة على ذلك:

• نظام الجليد/الماء/بخار الماء، مكون واحد يستخدم مادة كيميائية واحدة فقط، H2O.
  • أيضًا بالنسبة للأنواع الأيونية ‎2H2O ⇌ H3O+ + OH-‎، لا يزال من الممكن التعبير عن التركيب العام للطور بدلالة المادة الكيميائية H2O.
• ‎CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)‎ باستخدام المواد الكيميائية أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
  • الحد الأدنى لعدد المواد هو بالتالي اثنين، C = 2.
• ‎Na2SO4, Na2SO4.7H2O, Na2SO4.10H2O, Na2SO4‎ محلول، جليد صلب وبخار الماء.
  • هذا النظام هو بالتالي مكونين و C = 2.
• ‎NH4C1 (s) ⇌ NH3 (g) + HC1 (g)‎
  • يوجد طوران في حالة اتزان. يؤدي تبخير كلوريد الصلب إلى تكوين الطور الغازي، وبالتالي فإن هذا نظام مكون واحد، ولا يتطلب سوى مادة واحدة لتكوين أي من الطورين.
• ‎3Fe (s) + 4H2O (g) ⇌ Fe3O4 (s) + 4H2 (g)‎
  • هذا نظام ثلاثي الأطوار. يمكن تكوين كل من هذه الأطوار باستخدام حد أدنى من ثلاثة مواد كيميائية، Fe و O و H. وبالتالي، هناك ثلاثة مكونات، C = 3.

درجات الحرية أو التباين (F)

• تعريف: عدد درجات الحرية في النظام هو الحد الأدنى لعدد المتغيرات المكثفة (‫)ﻣﺗﻐﯾرات ﻣﻛﺛﻔﺔ‬ التي يتم من خلالها تحديد حالة النظام بشكل كامل.

  • المتغيرات المكثفة: مستقلة عن كتلة أو حجم النظام.
    • أمثلة: الضغط ودرجة الحرارة والتركيز والكثافة ومعامل الانكسار والإنتروبيا المولارية.
  • المتغيرات الشاملة: تعتمد على كتلة أو حجم النظام.

• بازدياد عدد المكونات C، تزداد المتغيرات المستقلة.

• بازدياد عدد الأطوار P، تقل المتغيرات المستقلة.

استنتاج قاعدة الطور

• بالنسبة لنظام مكون واحد، يكون الضغط ودرجة الحرارة هما المتغيران المكثفان الوحيدان.
• بالنسبة لنظام يحتوي فيه طور واحد على مكونين، يوجد متغير إضافي (نسبة المكونين في هذا الطور).
• إذا كان الطور الواحد يحتوي على ثلاثة مكونات، فإن المتغير الإضافي هو نسبتي اثنين منهما.
• بشكل عام، إذا كان هناك C مكونًا في طور واحد، فيجب أن يكون هناك (C - 1) متغيرات تكوين.
• بالنسبة لنظام من الأطوار P، يجب أن يكون هناك P (C - 1) مثل هذه المتغيرات.
  • ستكون متغيرات الضغط ودرجة الحرارة هي نفسها في جميع أنحاء النظام، بحيث يكون العدد الإجمالي للمتغيرات هو: P (C - 1) + 2.
• بشكل عام، بالنسبة للأطوار P، سيكون من الممكن كتابة (P - 1) معادلة لكل مكون.
  • بالنسبة للمكونات C، يجب أن يكون عدد المعادلات هو C (P - l).
• (عدد المتغيرات) - (عدد المعادلات) = عدد المتغيرات المستقلة
• تطبيق هذه القاعدة على الشروط المشتقة أعلاه في P و C، والسماح لعدد المتغيرات المستقلة بأن يكون F.
• ‎P (C - 1) + 2 – C (P - 1) = F‎
• أو P + F = C + 2