Тақырыбы: Фазалық тепе-теңдік термодинамикасы. Гиббстің фаза ережесі. Дәрілік заттардың (ДЗ) біркомпонентті және бинарлы жүйе күйінің диаграммасы. Мақсаты

Қарағанды мемлекеттік медицина университеті

Химия курсымен фармацевтикалық пәндер кафедрасы

«Фазалық тепе-теңдік термодинамикасы. Гиббстің фаза ережесі. Дәрілік заттардың (ДЗ) біркомпонентті және бинарлы жүйе күйінің диаграммасы.» тақырыбы

Пән: Физикалық және коллоидтық химия

Мамандығы 051103 «Фармация»

Курс: 2

Уақыт (ұзақтығы): 1 сағат

Қарағанды 2011

Кафедраның әдістемелік жиналысында бекітілген

_29__.__08_. 2011. № ___ Хаттама

Курсқа жауапты Власова Л.М.

1. 
   1 және 2 ретті фазалық ауысу.
   
2. 
   Фазалық тепе-теңдік. Фазалық аусудың термодинамикалық ерекшелігі.
   
3. 
   Гиббстің фазалар ережесі оның қолданылуы.
   
4. 
   Біркомпонентті жүйенің күй диаграммасы
   

Жүйелер гомогенді және гетерогенді болып екіге бөлінеді. Бірдей фазадан құралған жүйе гомогенді деп аталады. Бірнеше фазадан құралған жүйе гетерогенді дейді. Мысалы, бірнеше газдардың қоспасы бір фазадан, ал ішінде мұз түйіршігі бар салқын су немесе су мен бу екі фазадан тұрады.

Компонент дегеніміз жүйеден бөліп алғанда өз қасиетін, құрамын ешбір өзгеріссіз ұзақ мерзімге дейін сақтайтын, біріңғай химиялық құрылымдағы бөлшек. Оған мысал ретінде мұз, су, буды алайық. Егер бір жабық ыдыста мұз, су, буды тепе-теңдік жағдайында ұстасақ, бірдн үш агрегаттық күйді байқаймыз. Мұндағы мұздың да, судың да, будың да химиялық құрамы бірдей, демек жүйе бір компонентті.

Фазалық түрлену немесе фазалық ауысу деп заттардың бір фазадан екінші фазаға ауысуын айтады. Фазалық ауысу 2 класқа бөлінеді. Бірінші текті фазалық ауысуға булану, возгонка және балқу жатады.Бұл ауысу кезінде жылу бөлінеді немесе сіңірледі және фазалардың көлемі өзгереді. 2 ретті фазалық ауысу мұндай қасиеттерді көрсетпейді. Тепе-теңдік жағдайындағы гетерогендік жүйедегі температура (Т), қысым (р), химиялық потенциал (μ) және де басқа біріктірілген күштер жүйеде өзгермейді, ал энтропия (S), көлем (V), жылу сыйымдылығы (С_р,С _V) фаза шекарасында секірмелі өзгереді.

Химиялық термодинамикада жүйелердің еркіндік дәрежелерінің саны немесе варианттылығы деген түсініктердің орны ерекше.

Құрамындағы тәуелсіз компоненттердің санына сәйкес термодинамикалық жүйелер бір компонентті, екі компонентті, үш компонентті т.б. болып бөлінеді. Мұндағы компонент саны кезкелген фазаның құрамын анықтауға болатын заттың ең аз мөлшерімен анықталады. Мысалы, мырыш нитратын суда ерітіп, енді осы ерітіндіден су мен мырыш нитратын әр түрлі әдістермен бөліп кристаллогидраттар алады. Әйтсе де бұл жүйе екі компонентті, өйткені су мен мырыш нитратынан бұл жүйенің кез келген кристаллогидратты фазасын алуға болады.

Күрделі жүйенің тәуелсіз компоненттер санын осы заттардың концентрациялармен байланысқан теңдеу санын шегеру арқылы анықтайды. Ал тепе-теңдік жағдайында фаза саны шексіз болмайды. Мұндағы фазалар саны 1876 жылы Гиббс тұжырымдаған фазалар ережесінің көмегімен анықталады. Жүйеге мысалы, электрлік не магниттік өріс, гравитациялық күштер, температура, қысым сияқты тағы да басқа сыртқы күштер әсер етуі мүмкін. Жүйеге жоғарыда келтірілген факторлардың арасындағы қысым мен температурадан басқаларды ешбір әсер етпейтін болса, Гиббстің фазалар ережесін мынадай теңдеумен өрнектеуге болады:
Ф + С = k +2

Ф-тепе-теңдік жағдайындағы гетерогенді жүйеде болатын фазалар саны;

С- жүйедегі еркіндік дәреже саны немесе варианттылық;

k- жүйедегі компоненттер саны.

• 
  Тепе-теңдік гетерогенді жүйеге сыртқы факторлар арасынан тек қысым мен температура әсер еткенде, фазалар саны мен еркіндік дәреже санының қосындысы компонент санына екіні қосқанға тең. Мұндай Гиббстің фазалар ережесі немесе тек фазалар ережесі дейді
  

Егер тәуелсіз айнымалы шамалар саны оларды өзара байланыстыратын теңдеу санына тең болса, онда осы теңдеу жүйенің әрбір айнымалының белгілі бір мәніне сәйкес келеді. Ал айнымалы теңдеуден артық болса, онда олардың айырмасы қалған айнымалыларды өзгерісссіз қалдырғандағы кез келген мәнге ие болады.

Бұл теңдеудегі жақшаны ашып, ұқсас мүшелерді біріктірсек, Гиббстің фазар ереже姮іне сәйкес теңдеу шығады.

Заттар белгілі бір жағдайларда бір күйден екінші күйге ауыса алады, мысалы, сұйықтар қатты немесе газ тәріздес күйге ауысады.

Сұйықтардың газдарға айналуы булану деп аталады, қарама-қарсы, газдардың сұйықтарға айналуы конденсация болып есептеледі. Заттың қатты күйден сұйыққа айналуы балқу, ал сұйықтың қатты күйге ауысуы кристалдану деп аталады.

Заттардың бір күйден екінші бір күйге өздерінің химиялық құрамын өзгертпей ауысуы фазалық ауысу деп аталады. Олардың барысында гетерогенді тепе-теңдік яғни фазалық тепе-теңдік орнайды. Оның мысалына суөқаныққан бу жүйесінің күйі жатады. Қаныққан будың сұйықтың беткейіндегі қысымы тұрақты температурада тұрақты болады, себебі тепе-теңдік жағдайында булану жылдамдығы конденсациялану жылдамдығына тең.

Гетерогенді жүйе бір немесе бірнеше компоненттерден тұруы мүмкін. Жүйені құраушы заттар компоненттер деп аталады. Жүйедегі бөліне алатын және жүйеден тыс түзілетін жүйенің құрамындағы әрбір дербес химиялық зат тәуелсіз компонент болады.
2. Фазалар ережесі.

Барлық аумағындағы химиялық және термодинамикалық қасиеттері бірдей, бір текті жүйенің басқа бөліктерімен бөліну беткейлері арқылы шектелген бөлігі фаза деп аталады.

Фазалар қарапайым және аралас болып жіктеледі.

Қарапайым фаза дербес (жекеленген) бір химиялық заттан тұрады, мысалы, судағы эмульсия тәріздес бензол.

Аралас фаза екі немесе одан да көп химиялық дербес (жекеленген) заттардан тұрады. Мысалы, әртүрлі сұйық немесе қатта ерітінділер.

Мысалы ас тұзының судағы ерітіндісінде мынадай заттар бар: Н₂О, NaCI, гидратталған Na⁺, CI^-, H⁺, OH^-, ал тәуелсіз компоненттер екеу: Н₂О және NaCI, себебі иондар дербес күйде жүйеден бөліне алмайды.

Тепеөтедіктегі жүйенің барлық фазаларын түзу үшін жеткілікті болып есептелетін құрам бөліктердің ең аз мөлшері тәуелсіз компоненттердің саны (К) деп аталады.

Мысалы: СаСО₃  СаО + СО₂ реакциясы жүретін жүйеде:

құрам бөліктер үшеу: СаСО₃, СаО, СО₂, ал тәуелсіз компоненттер екеу: кез келген екі зат.

Яғни бөліктердің санынан олардың арасында жүретін мүмкін реакциялардың санын алып тастағанға тең.

Фазалар ережесінің теңдеуі: С = К - Ф + n

С - еркіндік дәрежесінің мөлшері

К - компоненттер саны

Ф - фазалардың саны

п - сыртқы факторлардың (С,Т,р) саны

Егер тепе-теңдікке екі ғана фактор (Т, р)

әсер етсе, С =R - Ф + 2

Тек қана қатты немесе сұйық фазалардан тұратын жүйелердің тепе-теңдігіне қысым қатты әсер етпейді, сондықтан да

С = К - Ф + 1

Жүйелер фазалардың санына байланысты бір, екі фазалы, т.б.; тәуелсіз компоненттердің санына қарай бір-, екі-, үш компонентті; еркіндік дәрежесінің саны бойынша вариантсыз (С=O), бір (С=1), екі (С=2) т.б. болып жіктьеледі.

Мысалы:

SrCO₃  SrO + CO₂

жүйесінде 3 фаза (ә қатты, 1 газ).

2 тәуелсіз компоненттер бар, сондықтан да С = 2-3+2 =1., яғни жүйе бір вариантты.

Бір сұйық екінші бір сұйықта химиялық әрекеттесусіз еритін болса, мысалы , толуол бензолда, молекуланың ауысуы энергияның шығындалуын қажет етпейді. Компоненттердің толық араласуына жылу қозғалысы жеткіліктьі болады.

Егер полюссіз молекула ассоциацияланған еріткішке немесе полюсті комплекстер полюссіз еріткішке ауысса, еру үрдісі әжептәуір энергияны қажет етеді, сол себепті жылу қозғалысы жеткіліксіз болып табылады.

Егер еру барысында молекула компоненттерінен энергия бөлетін қосылыстар түзілсе, өзара ерігіштік жоғарылайды.

Бір компонентті гетерогенді жүйелерде фазалар бір заттан тұрады. Олардағы фазалардың максимум саны ережесі бойынша анықталады.

К = 1 болса, С = К - Ф + n = 1-Ф+2 = 3-Ф.

Бір фазалы жүйе үшін С =2, екі фазалы жүйе үшін С = 1, ал үш фазалы үшін C = 0. Осыған байланысты, бір компонентті жүйелерде тең фазалардың саны үштен артық болмайды.

Бір фазалы жүйелер үшін С = 2 болса, температураны да, қысымды да тепе-теңдікті ығыстырмай өзгертуге болады. Егер С = 1 болса, бір ғана параметрді тәуелсіз түрде, тепе-теңдікке әсер етпей өзгертуге болады. Егер С =О болса, бірде-бір параметр тепе-теңдікті ығыстырмай өзгере алмайды.

Бір компонентті жүйенің күйін, мысалы, судың сыртқы жағдайларға (р, Т) тәуелділігін фазалық диаграммамен түсіндіруге болады:

АО сызығы мұздың беткейіндегі қаныққан бу қысы-

мының температураға тәуелділігін сипаттайды. ОВ

сызығы сұйық судың беткейіндегі қаныққан бу қысы-

мының температураға тәуелділігін көрсетеді. Бұл сы-

зықты сол сияқты судың қайнау температурасының

қысымға тәуелділігі деп қарастыруға болады. ОС

сызығы мұздың балқу температурасының ( немесе

судың қату температурасының) қысымға тәуелділігін

сипаттайды. Бұл сызық солға қарай ығысқан, себебі

қысым жоғарылағанда мұздың балқу температурасы

төмендейді. Мұндай сызық бірен-саран заттарға (Н₂О,

Ag, Bi) ғана тән, себебі қатқанда, олардың көлемі

үлкейеді. Көптеген заттар қатқанда, көлемдері кішірееді, сол себепті ОС сызығы оңға қарай ығысады.

Барлық қарастырылған сызықтар судың әртүрлі фазаларға ауысуын сипаттайды, яғни екі фазаның арасындағы тепе-теңдікті анықтайды:

ОВ - сұйық  бу

ОА - мұз  бу

ОС - сұйық  мұз
Көрсетілген сызықтармен шектелген аймақтар белгілі бір фазаға сәйкес келеді: АОС мұзға, ВОС сұйық суға, ал АОВ буға. Барлық сызықтар О нүктесінде түйіседі, ол үш фазаның тепе-теңдігімен сипатталады:

мұз  сұйық  бу

Сызықтардың бойындағы нүктелер үшін К = 1 және Ф = 2 болса, С = 1-2+2 =1, яғни егер бір параметр (р немесе Т) еркін өзгеретін болса, тепе-теңдікті сақтау үшін екінші параметр біріншіге тәуелді өзгеруі керек.

Кез келген аймақта орналасқан нүкте үшін К = 1 және Ф = 1. Олай болса: С = 1-1+2 =2,

яғни фазалардың санын өзгертпей р және Т шамаларын бір-біріне тәуелсіз өзгертуге болады.

Таблицалар, слайдтар.

Негізгі:

1. 
   Киреев В.А. Краткий курс физической химии М., «Высшая школа», 1978
   
2. 
   Евстратова К.И. и др. Физическая и коллоидная химия М., «Высшая школа», 1990
   
3. 
   Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия М., «Высшая школа», 1975
   

1. 
   Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия М., «Высшая школа», 1974
   
2. 
   Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика М., «Медицина», 1978
   
3. 
   Николаев Л.А. Физическая химия М., «Высшая школа», 1979
   

1. 
   1 және 2 ретті фазалық ауысуын қалай түсіндіруге болады?
   
2. 
   Фазалық тепе-теңдікке қандай негізгі түсінтерді қолдануға болады?
   
3. 
   Как формулируется правило фаз Гиббса?
   
4. 
   Гиббстің фазалық ережесі қалай қолданылады?