background image

1

Chem. Fiz. TCH II/08

1

Równowagi fazowe –

układy wieloskładnikowe

Podstawowe definicje (c.d.)

Gazy zawsze 

tworzą jedną fazę 

(ciągłą)

Ciecze (dwuskładnikowe) mogą 

tworzyć roztwory lub nie 

(rozpuszczalność częściowa)

Faza.

Ciała stałe są 

często fazą 

rozproszoną

Patrz też Wykład VII, slajd „Wprowadzenie do równowag fazowych (1)”.

Faza – dla danej substancji – jej postać 
charakteryzująca się jednorodnym 
składem chemicznym i stanem 
fizycznym. W obrębie fazy niektóre 
intensywne funkcje stanu (np. gęstość) 
mają jednakową wartość.

Fazy w zasadzie dają się mechanicznie oddzielić od siebie.  Nie jest wymagana 
ciągłość fazy.  W tych ostatnich przypadkach możemy mówić o fazie ciągłej –
rozpraszającej i nieciągłej – rozproszonej.  W skrajnych przypadkach mamy do 
czynienia: w układach ciało stałe – ciecz z dyspersjami (zawiesiny, układy 
koloidalne), w układach ciało stałe – gaz i ciecz – gaz z aerozolami (mgły, 
dymy).  W takich układach z bardzo rozproszoną fazą istotną rolę zaczynają
odgrywać właściwości powierzchni granicznej.

background image

2

Chem. Fiz. TCH II/08

2

Podstawowe definicje (2)

2) Składniki niezależne – są to składniki, których stężenia w układzie 

można, przynajmniej w pewnym zakresie, zmieniać dowolnie.  Ich 
liczbę można wyznaczyć odejmując od liczby składników (bez przy-
miotnika) liczbę możliwych reakcji chemicznych, zachodzących mię-
dzy nimi w danych warunkach.

Składnikiem niezależnym nie są 

np. jony w roztworach elektro-

litów,  bowiem zawsze trzeba 

razem z nimi dodać towarzyszą-

cy im jon o przeciwnym znaku.

W pozostającym w równowadze 

(chemicznej) układzie:

CaCO

3

(s) = CaO(s) + CO

2

(g)

są tylko 2 (dwa) składniki 

niezależne.

Równaniem wiążącym trzeci składnik jest równanie reakcji i odpowiednia stała 
równowagi.

background image

3

Chem. Fiz. TCH II/08

3

Podstawowe definicje (3)

3) Liczba stopni swobody – liczba parametrów, jakie można zmie-

niać w układzie, przynajmniej w pewnym zakresie, bez zmiany 
liczby istniejących w nim faz.  Inaczej – najmniejsza liczba 
parametrów wystarczająca do jednoznacznego zdefiniowania 
stanu układu.

W obszarach (płaszczyznach) istnienia jednej fazy mamy dwa stopnie swobody –
można zmieniać P i T.  Wzdłuż linii (dwie fazy współistnieją) – tylko jeden 
parametr – drugi jest narzucony.  Punkt potrójny nie ma w ogóle stopni swobody 
– jest to tzw. stan inwariantny.

background image

4

Chem. Fiz. TCH II/08

4

Równowaga w układzie 

wieloskładnikowym 

Rozpatrujemy analogicznie jak dla układu jednoskładnikowego:

P=const
T=const

Ponieważ rozpatrujemy stan równowagi:

zatem:

a ponieważ:

musi być spełnione:

=

Y

J

J

dn

dg

α

α

µ

=

Y

J

J

dn

dg

β

β

µ

0

=

+

=

β

α

dg

dg

dg

(

)

0

=

Y

J

J

J

dn

β

α

µ

µ

0

J

dn

0

=

J

J

β

α

µ

µ

lub też:

J

J

β

α

µ

µ

=

Warunek równowagi międzyfazowej w układzie jednoskładnikowym znamy z 
wykładu VII; slajd „Termodynamika równowagi fazowej (1)”.
Rozpatrujemy tutaj układ wieloskładnikowy, dwufazowy (α β). Można 
oczywiście dowieść analogicznym, choć odpowiednio bardziej rozbudowanym 
rozważaniem, że potencjały chemiczne danego składnika są równe w kilku 
fazach będących równocześnie w równowadze między sobą.  Zastanowimy się 
teraz, ile faz może ze sobą współistnieć.

background image

5

Chem. Fiz. TCH II/08

5

Reguła faz Gibbsa (1)

Jeśli policzymy ile parametrów (stopni swobody) musimy podać, 

aby jednoznacznie określić stan układu  zawierającego niezależnych 

składników i faz:

Zmiennych stężeniowych:

C

– 1

dla każdej fazy, oraz

P

(– 1)

dla wszystkich faz, a uwzględniwszy T:

P

(– 1)+2

Jak wykazaliśmy, dla każdego składnika:

...

 

 

...

J

J

J

J

γ

β

β

α

µ

µ

µ

µ

=

=

co daje:

P

– 1 równań dla jednego składnika, oraz

C

(– 1)

Skróty F, C, P pochodzą z języka angielskiego: degrees of Freedom, 
Components, Phases.
C – 1 dla każdej fazy, bowiem ułamków molowych wystarczy podać właśnie 
tyle, suma musi wynosić 1.

background image

6

Chem. Fiz. TCH II/08

6

Reguła faz Gibbsa (2)

co daje:

P

– 1 równań dla jednego składnika, oraz

C

(– 1)

dla wszystkich składników. Pomniejsza to liczbę parametrów koniecz-

nych do scharakteryzowania układu (czyli liczbę stopni swobody):

F

P(– 1)  +  2  – C(– 1)  =  – + 2

Jest to reguła faz Gibbsa.

Z reguły faz zastosowanej do układu jednoskładnikowego wynika, że 
maksymalna liczba faz współistniejących (dla F= 0) wynosi P=3.  Zatem stan 
inwariantny w układzie jednoskładnikowym odpowiada punktowi potrójnemu.  
Obserwowany przez nas punkt poczwórny na układzie fazowym dla helu był albo 
artefaktem (błędem, choć istnieje w źródle, skąd go przerysowywałem) i w 
rzeczywistości są tam bardzo blisko położone dwa punkty potrójne, albo hel 
znów jest czymś arcywyjątkowym.  Mimo przeprowadzonego śledztwa, nie 
potrafię rozstrzygnąć.  Opowiadam się jednak za słusznością reguły faz (czyli 
pierwsza możliwość wytłumaczenia – dwa punkty potrójne).

background image

7

Chem. Fiz. TCH II/08

7

Równowaga ciecz-gaz w 

układzie dwuskładnikowym 

Warunek równowagi w układzie jednoskładnikowym:

T=const

β

α

µ

µ

=

w szczególności, dla układu ciecz – gaz:

g

c

µ

µ

=

Potencjał chemiczny gazu dany jest równaniem:

0

0

ln

P

P

RT

g

g

+

=

µ

µ

Nad czystym składnikiem A:

*

*

0

0

*

ln

A

cA

o
A

gA

gA

P

p

RT

µ

µ

µ

µ

=

=

+

=

Nad mieszaniną, dla A:

A

cA

A

gA

gA

P

p

RT

µ

µ

µ

µ

=

=

+

=

0

0

ln

Łącznie daje to:

o
A

A

A

A

p

p

RT

ln

*

+

=

µ

µ

Potencjał chemiczny gazu określiliśmy na wykładzie V; slajdy: „Entalpia 
swobodna a lotność gazów (1)” i „Potencjał chemiczny mieszanin gazowych 
(1)”.
Prężność P

A

nad mieszaniną jest prężnością cząstkową.  Na razie zakładamy 

zachowanie par jak gazu doskonałego.

background image

8

Chem. Fiz. TCH II/08

8

Prawo Raoulta (1)

Stwierdzone empirycznie (dla „podobnych” cieczy): 

o
A

A

A

p

x

p

=

Co ostatecznie pozwala zapisać:

A

A

A

x

RT ln

*

+

=

µ

µ

Roztwory spełniające prawo Raoulta 

w całym zakresie stężeń (składu) 

nazywamy roztworami doskonałymi

(idealnymi).

T=const

W prawie Raoulta x

A

oznacza ułamek molowy składnika A w cieczy.

Ostatnie równanie posłuży nam do 
zdefiniowania roztworu doskonałego, 
prawo Raoulta jest raczej konsekwencją 
istnienia takiego roztworu, aniżeli 
odwrotnie.
Zauważmy, że w ostatnim równaniu nie 
ma już założenia o idealności gazu 
(wszystko dotyczy roztworów).
Na wykresie prawo Raoulta jest 
podobne do prawa Daltona, gdzie jednak 
na osi X odłożony był ułamek molowy 
w gazie, zaś linia ciśnienia 
sumarycznego była pozioma.

background image

9

Chem. Fiz. TCH II/08

9

Prawo Raoulta (2)

Ciecze podobne 

chemicznie 

Ciecze różniące się właściwościami 

chemicznymi

Wykresy (od lewej) odpowiadają 
układom: Benzen – Toluen, Aceton –
Disiarczek węgla, Chloroform – Aceton. 
Wszystkie dla 298,15 K.
Układ pierwszy zachowuje się prawie 
idealnie zgodnie (spełnia całkowicie) 
prawo Raoulta, układ drugi wykazuje 
odchylenia dodatnie, zaś trzeci –
ujemne.

background image

10

Chem. Fiz. TCH II/08

10

Układ dwuskładnikowy

a reguła faz

= 2,  czyli  = 4

Wniosek (1):

W układzie dwuskładnikowym możliwy jest punkt poczwórny.

Wniosek (2):

W układzie dwuskładnikowym możliwy są 3 stopnie swobody 

(parametry definiujące stan układu).  Będą to, ciśnienie, temperatu-
ra oraz ułamek molowy jednego ze składników. Aby móc przedsta-
wiać wykresy fazowe na płaszczyźnie (w dwóch wymiarach), 
zwykle ustala się warunki jako izotermiczne lub izobaryczne, kiedy 
to = 3 (dla T = const lub P = const).

Wniosek (1) dotyczy stanu inwariantnego, gdy F=0.
Wniosek (2) dotyczy układu, w którym istnieje tylko 1 faza, P=1.

background image

11

Chem. Fiz. TCH II/08

11

Diagram fazowy

ciecz-para (1a)

T=const

X

B

=const

a

para nie 

nasycona

X

B

=y

B

a

Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P (obu składników) od 
jej składu X=y.
Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy 
z którą para ta jest w równowadze, X=x.

background image

12

Chem. Fiz. TCH II/08

12

Diagram fazowy

ciecz-para (1b)

T=const

X

B

=const

a

para nie 

nasycona

X

B

=y

B

rosa na 

ściankach

para 

nasycona

X

B

=y

B

b

a

b

Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P (obu składników) od 
jej składu X=y.
Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy 
z którą para ta jest w równowadze, X=x.

background image

13

Chem. Fiz. TCH II/08

13

Diagram fazowy

ciecz-para (1c)

T=const

X

B

=const

a

para nie 

nasycona

X

B

=y

B

rosa na 

ściankach

para 

nasycona

X

B

=y

B

b

ciecz 

para 

nasycona

x

B

<X

B

<y

B

c

a

b

c

Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P (obu składników) od 
jej składu X=y.
Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy 
z którą para ta jest w równowadze, X=x.

background image

14

Chem. Fiz. TCH II/08

14

Diagram fazowy

ciecz-para (1d)

T=const

X

B

=const

a

para nie 

nasycona

X

B

=y

B

rosa na 

ściankach

para 

nasycona

X

B

=y

B

b

ciecz 

para 

nasycona

x

B

<X

B

<y

B

c

ciecz 

resztka

para 

nasyconej

x

B

=X

B

d

a

b

c

d

Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P (obu składników) od 
jej składu X=y.
Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy 
z którą para ta jest w równowadze, X=x.

background image

15

Chem. Fiz. TCH II/08

15

Diagram fazowy

ciecz-para (1)

T=const

X

B

=const

a

para nie 

nasycona

X

B

=y

B

rosa na 

ściankach

para 

nasycona

X

B

=y

B

b

ciecz 

para 

nasycona

x

B

<X

B

<y

B

c

ciecz 

resztka

para 

nasyconej

x

B

=X

B

d

tylko 

ciecz

x

B

=X

B

e

a

b

c

d

e

Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P (obu składników) od 
jej składu X=y.
Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy 
z którą para ta jest w równowadze, X=x.

background image

16

Chem. Fiz. TCH II/08

16

Diagram fazowy

ciecz-para (2)

Równanie krzywej wrzenia:

(gdy spełnione jest prawo Raoulta –

powinna być prostą)

)

1

(

B

o
A

A

o
A

A

x

p

x

p

p

=

=

B

o

B

B

x

p

p

=

B

o
A

o

B

o
A

A

B

x

p

p

p

p

p

P

)

(

+

=

+

=

X

B

– ułamek molowy składnika B

w całym układzie,

x

B

– ułamek molowy składnika w cieczy,

y

B

– ułamek molowy składnika w parze.

background image

17

Chem. Fiz. TCH II/08

17

Diagram fazowy

ciecz-para (3)

Równanie krzywej rosy:

(gdy spełnione jest prawo Raoulta)

B

A

B

B

p

p

p

y

+

=

Definicja ułamka 

molowego w gazie:

Wprowadzamy prawo Raoulta:

B

o

B

B

o
A

o
A

B

o

B

B

o

B

B

o
A

B

o

B

B

x

p

x

p

p

x

p

x

p

x

p

x

p

y

+

=

+

=

)

1

(

skąd:

B

o
A

o

B

o

B

o

B

o
A

B

y

p

p

p

p

p

x

)

(

=

background image

18

Chem. Fiz. TCH II/08

18

Diagram fazowy

ciecz-para (4)

Równanie krzywej rosy (c.d.)

(gdy spełnione jest prawo Raoulta)

Wyrażenie na x

B

:

B

o
A

o

B

o

B

B

o
A

B

y

p

p

p

y

p

x

)

(

=

wprowadzamy do wzoru na krzywą wrzenia, 
aby ciśnienie całkowite uzależnić od y

B

:,

B

o
A

o

B

o
A

A

B

x

p

p

p

p

p

P

)

(

+

=

+

=

co daje po 
przekształceniu:

B

o
A

o

B

o

B

o

B

o
A

y

p

p

p

p

p

P

)

(

=

background image

19

Chem. Fiz. TCH II/08

19

Diagram fazowy

ciecz-para (5)

Ogladamy te same układy, co na slajdzie „Prawo Raoulta (2)”.

background image

20

Chem. Fiz. TCH II/08

20

Reguła dźwigni

)

(

p

c

B

B

B

p

B

c

n

n

X

nX

y

n

x

n

+

=

=

+

X

B

– ułamek molowy składnika B

w całym układzie, liczba moli tamże n

x

B

– ułamek molowy składnika w cieczy, n

c

y

B

– ułamek molowy składnika w parze, n

p

.

x

B

y

B

Bilans:

c

p

B

B

B

B

p

c

l

l

x

X

X

y

n

n

=

=

l

c

l

p

background image

21

Chem. Fiz. TCH II/08

21

Prawa Konowałłowa

I.   

Para jest bogatsza w ten składnik, którego dodanie do 
mieszaniny cieczy powoduje podwyższenie całkowitej 
prężności par mieszaniny.

II.   

W przypadku takiego składu fazy ciekłej, któremu od-
powiada ekstremum na krzywej prężności pary w wa-
runkach izotermicznych i równocześnie ekstremum 
temperatury na krzywej w warunkach izobarycznych, 
skład pary nasyconej jest równy składowi cieczy.

Uzasadnienie teoretyczne w oparciu o równanie Gibbsa – Duhema, zostanie 
zaprezentowane na następnym wykładzie.