Фазовые превращения вещества
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию__________________
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. А. Яблоков
Х И М И Я
Получение и превращение вещества и энергии
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Нижний Новгород
ННГАСУ
2010
ББК 24.1
Я 71
Рецензенты:
Гришин Д.Ф. – доктор хим. наук, чл.-корр. РАН, (Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского);
Карташов В.Р. – доктор хим. наук, (Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева).
Яблоков В. А.
Я 71 Химия. Получение и превращение вещества и энергии [Текст]: учебное пособие /В. А. Яблоков, Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2010 . – 192 с. ISBN 978-5-8114-0829-0
В учебном пособии изложены химические аспекты получения и превращения вещества и энергии в различных сферах деятельности человека. Книга рассчитана на студентов технических специальностей.
ББК 24.1
Охраняется законом об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой её части запрещается без письменного разрешения издателя.
ISBN 978-5-8114-0829-0
Ó ННГАСУ, 2010
Ó В.А. Яблоков, 2010
ВВЕДЕНИЕ
Описание химических процессов опирается на фундаментальные законы термодинамики, кинетики, квантовой механики. Знание законов позволяет управлять физико-химическими процессами, решать многие прикладные задачи. Известно, например, что глубина траншеи для прокладки водопроводных труб под землей должна превышать глубину промерзания грунта в холодное время года. Объемное расширение льда при замерзании воды способно разорвать трубопровод. Это обусловлено особенностями фазового изменения состояния системы жидкая вода – лед.
Перекачка природного газа по газопроводам высокого давления предполагает соблюдение определенного режима эксплуатации газовых систем и знания физико-химических условий образования кристаллических газовых гидратов (клатратов). Попадание паров воды в природный газ (метан с примесями других углеводородов) приводит к закупорке трубопроводов в результате образования из газов кристаллических гидратов (рис. 1).
Рис. 1. Модели кристаллического каркаса газового гидрата, построенного из шести молекул воды и одной молекулы метана
Извлечение полезных минералов основывается на различии адгезионных свойств минералов и пустой горной породы, а применение металлов как конструкционных материалов предполагает знание их свойств и обеспечение их химической и электрохимической защиты от воздействий внешней среды.
Материалы, используемые в оптоэлектронике и полупроводниковой технике, до неузнаваемости изменили размеры и конструкцию используемых приборов. Однако успехи в миниатюризации транзисторов (электрических переключателей) сопряжены с нежелательными электронными эффектами – проскоком электронов через изолирующий слой (туннельный эффект), в результате которого микросхемы перестают работать. Для решения возникшей проблемы планируется создание нанотрубок и на их основе проводников и полупроводников. Тончайшие полые нити из углерода с внутренним диаметром трубки в несколько нанометров (1 нм = 10-9 м) позволят уже в ближайшие годы создавать микросхемы, которые найдут применение в медицине, автомобилестроении, авиастроении, энергетике и других сферах деятельности человека.
Получение энергии такая же актуальная проблема, как и проблема получения и превращения вещества. В настоящее время основными источниками энергии на планете являются реакции горения природного газа, каменного угля и продуктов переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут). К сожалению, это невозобновляемые источники энергии, поэтому продолжаются поиски альтернативных энергетических источников. Необходимы не только новые способы получения энергии, но и совершенствование ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также защита окружающей среды от загрязнения промышленными и бытовыми отходами.
В любой сфере деятельности человека естественные науки (физика, химия, биология и др.) призваны открывать новое и служить теоретической основой для технических наук, проектирующих будущее.
ТЕМА 1
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
Введем некоторые понятия и определения, необходимые для обсуждения равновесных фазовых превращений.
Вещество, структурными частями которого являются атомы, молекулы или ионы, называется однородной или гомогенной системой. Жидкая вода – гомогенная система, состоящая из одного вида микрочастиц – молекул воды. К гомогенным системам относятся также водные растворы сахарозы (молекулы воды и сахарозы) и поваренной соли (молекулы воды, ионы Na+ и Cl-).
В отличие от гомогенной (однородной) системы, внешним признаком гетерогенной системы служит поверхность раздела, существующая между фазами. Фаза – часть системы, характеризующаяся одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Лед, жидкая вода и пар, находящиеся в контакте между собой, составляют части или фазы неоднородной или гетерогенной системы.
Гетерогенная (неоднородная) система состоит из двух или большего числа фаз. Обозначим число фаз системы символом j, тогда чистая вода или водный раствор – гомогенные однофазные системы (j = 1). Вода с кусочками плавающего льда – гетерогенная двухфазная система (j = 2). Раздробленные кусочки льда обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами и в совокупности представляют одну фазу. Жидкая вода обладает такими же химическими свойствами, что и лед, но физические свойства жидкой воды (например, плотность) отличаются от физических свойств льда. Этого различия достаточно, чтобы жидкая вода и лед рассматривались как отдельные фазы.
Компонент – вещество, входящее в состав системы, способное существовать вне ее в качестве индивидуального соединения.
Обозначим количество компонентов символом К. Чистая вода – однокомпонентная система (К = 1). Водный раствор сахарозы состоит из двух компонентов (К = 2). Оба компонента (Н2О и С12Н22О11) могут быть выделены из раствора в виде индивидуальных химических соединений – жидкой воды и кристаллов сахарозы.
Заметим, что водный раствор поваренной соли – гомогенная двухкомпонентная система. В растворе существует три вида микрочастиц: молекулы Н2О, ионы Na+ и Cl-. Ионы Na+ не могут существовать вне раствора в качестве самостоятельного компонента. Это касается также ионов Cl-, поэтому водный раствор соли при наличии трех видов микрочастиц остается двухкомпонентной системой: вода (Н2О) и соль (NaCl). Именно они способны существовать вне данного раствора в качестве индивидуальных соединений.
Любую гетерогенную систему характеризуют следующие параметры: давление (р), температура (Т), число компонентов (К) и число фаз (j). Указанные параметры связаны между собой уравнением, которое было выведено американским физиком-теоретиком Д.У. Гиббсом и названо правилом фаз Гиббса:
f = К - j + 2,
где f – число степеней свободы; переменные параметры (р и Т) учитываются цифрой 2.
Число степеней свободы f указывает количество переменных, изменение которых не приведет к изменению числа фаз системы. Например, для жидкой воды число степеней свободы:
f = 1 - 1 + 2 =2.
В известных пределах можно произвольно менять два параметра – давление р и температуру Т – при сохранении одной фазы – жидкой воды.
В случае гетерогенной системы, например жидкость – пар, ситуация меняется. Для такой системы число степеней свободы:
f = 1 - 2+ 2 =1.
Можно произвольно изменять только один параметр либо температуру, либо давление без изменения числа фаз. Произвольное изменение температуры исключает произвольное изменение давления. Оно должно изменяться соответственно изменению температуры так, чтобы не изменилось число фаз системы.
1.1. Однокомпонентные системы
Для любой однокомпонентной системы максимальное число фаз – три (газ, жидкость, твердое тело). Например, вода может находиться одновременно в виде жидкости, льда и пара. В однокомпонентных системах (число компонентов К = 1) фазы обладают одинаковыми химическими свойствами и различаются лишь физическими свойствами.