Двухкомпонентные диаграммы — Физическая химия для олимпиад

Двухкомпонентные диаграммы

8 заданий

Правило фаз

linkОпора

Сколько параметров можно менять, не нарушая равновесия? Для чистого вещества мы ответили в уроке 71. Обобщим этот подсчёт.

functionsПравило фаз Гиббса

Состояние каждой фазы задают температура, давление и \(C - 1\) мольных долей (последняя доля следует из того, что их сумма равна единице). В равновесии температура и давление во всех фазах одинаковы, поэтому переменных \(2 + P(C - 1)\). Условия равновесия: химический потенциал каждого компонента одинаков во всех \(P\) фазах, то есть \(P - 1\) уравнений на каждый из \(C\) компонентов. Число степеней свободы — переменные минус уравнения:

\[F = 2 + P(C - 1) - C(P - 1) = C - P + 2.\]

Здесь \(C\) — число независимых компонентов, \(P\) — число фаз, \(F\) — число степеней свободы: сколько интенсивных параметров (температура, давление, составы фаз) можно менять независимо, не меняя числа фаз. Двойка — это температура и давление.

  • Чистая вода, жидкость и пар (\(C = 1\), \(P = 2\)): \(F = 1\) — выбрав температуру, мы уже задали давление пара.
  • Тройная точка (\(P = 3\)): \(F = 0\) — ничего менять нельзя, это одна точка.
  • Смесь двух жидкостей с паром (\(C = 2\), \(P = 2\)): \(F = 2\); при постоянном давлении остаётся одна степень свободы — задав температуру, мы задали составы обеих фаз.

infoИз истории

Правило фаз Гиббс вывел в 1870-х годах, а широкое применение оно нашло в металлургии: по диаграммам состояния сплавов выбирают режимы плавки и закалки. В России этим занимался Николай Курнаков, создатель физико-химического анализа — метода изучения систем по диаграммам «состав — свойство».

Диаграмма кипения

Смесь бензола и толуола кипит не при одной температуре, а в интервале. По правилу фаз при постоянном давлении у двухфазной двухкомпонентной смеси одна степень свободы: каждой температуре отвечают определённые составы жидкости и пара. На диаграмме «температура — состав» при давлении 1 атм поэтому две кривые:

  • нижняя — начало кипения жидкости данного состава (кривая жидкости);
  • верхняя — начало конденсации пара данного состава (кривая пара).

Между ними — область, где сосуществуют жидкость и пар.

Диаграмма кипения смеси бензол — толуол при 1 атм: горизонтальная линия связи соединяет составы жидкости и пара, находящихся в равновесии
Диаграмма кипения смеси бензол — толуол при 1 атм: горизонтальная линия связи соединяет составы жидкости и пара, находящихся в равновесии
\(x_\text{бензола}\) в жидкости00,20,40,50,60,81
\(t_\text{кип}\), °C110,6102,195,192,189,384,480,1
\(y_\text{бензола}\) в паре00,3760,6220,7140,7910,9111

Нагреем жидкость с \(x = 0{,}40\): при 95,1 °C появится первый пузырёк пара, и его состав не 0,40, а 0,622 — пар богаче летучим бензолом (урок 73). Горизонтальная линия связи соединяет составы жидкости и пара, которые сосуществуют при данной температуре.

Правило рычага

Нагреем смесь с общим составом \(z = 0{,}50\) до 95 °C — это внутри двухфазной области. В равновесии жидкость имеет состав \(x = 0{,}40\), пар — \(y = 0{,}62\): концы линии связи. А сколько вещества в каждой фазе?

functionsПравило рычага

Материальный баланс по общему количеству и по бензолу (урок 5): \(n = n_\text{ж} + n_\text{п}\) и \(nz = n_\text{ж}x + n_\text{п}y\). Подставим \(n_\text{ж} = n - n_\text{п}\) во второе уравнение:

\[nz = (n - n_\text{п})\,x + n_\text{п}y \quad\Rightarrow\quad \frac{n_\text{п}}{n} = \frac{z - x}{y - x}, \qquad \frac{n_\text{ж}}{n} = \frac{y - z}{y - x}.\]

Точка \(z\) — опора рычага: \(n_\text{ж}(z - x) = n_\text{п}(y - z)\), и чем ближе она к одному концу, тем больше соответствующей фазы. Это то же правило рычага, что при смешивании растворов (урок 26).

errorТри разных состава

\(z\) — состав всей системы, \(x\) и \(y\) — составы фаз. При нагревании \(z\) не меняется, а \(x\) и \(y\) скользят по кривым: последняя капля жидкости исчезает, когда состав пара сравняется с \(z\).

push_pinГлавное

Подсчёт переменных и условий равновесия даёт правило фаз Гиббса \(F = C - P + 2\). На диаграмме кипения две кривые — жидкости (начала кипения) и пара (начала конденсации); между ними смесь двухфазна. Составы фаз — концы горизонтальной линии связи, доли фаз — по правилу рычага из материального баланса: \(n_\text{пар}/n = (z - x)/(y - x)\).

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.