Componenta (termodinamica)

În termodinamică , o componentă se referă la unul dintre constituenții unui sistem independent chimic. Numărul de componente reprezintă numărul minim de specii independente necesare pentru a defini compoziția tuturor fazelor sistemului. ^[1]

Calculul numărului de componente ale sistemului devine important atunci când aplicăm regula de fază a lui Gibbs în determinarea numărului de grade de libertate ale unui sistem.

Numărul de componente este egal cu numărul de specii chimice distincte (constituenți), minus numărul de reacții chimice dintre ele, minus numărul de constrângeri (cum ar fi neutralitatea sarcinii sau echilibrarea cantităților molare).

Calcul

Să presupunem că un sistem chimic are $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ elemente ed $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ specii chimice (elemente sau compuși). Acestea sunt combinații de $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ elemente și fiecare specie $A_{i}$ ${\ displaystyle A_ {i}}$ $Către}$ poate fi reprezentat ca o sumă de elemente:

A_{i}=\sum _{j}a_{ij}E_{j},

{\ displaystyle A_ {i} = \ sum _ {j} a_ {ij} E_ {j},}

{\ displaystyle A_ {i} = \ sum _ {j} a_ {ij} E_ {j},}

unde este $E_{j}$ ${\ displaystyle E_ {j}}$ ${\ displaystyle E_ {j}}$ este simbolul elementului $j$ ${\ displaystyle j}$ $j$ Și $a_{ij}$ ${\ displaystyle a_ {ij}}$ $a_ {ij}$ sunt componentele unei matrice $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ X $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ . Fiecare specie este determinată de un vector de rând, dar rândurile nu sunt neapărat liniar independente . Dacă rangul matricei este $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ , apoi există $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ vectori liniar independenți, iar restul $N-C$ ${\ displaystyle NC}$ ${\ displaystyle N-C}$ vectorii se obțin ca suma multiplilor acestor vectori. Specia chimică reprezentată de cele $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ vectorii sunt componente ale sistemului. ^[2]

Dacă, de exemplu, speciile sunt C (sub formă de grafit ), CO ₂ și CO, atunci

{\begin{bmatrix}1&0\\1&2\\1&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}C\\\\O\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C\\CO_{2}\\CO\end{bmatrix}}.

{\ displaystyle {\ begin {bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \\ 1 & 1 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} C \\\\ O \ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} C \\ CO_ {2} \\ CO \ end {bmatrix}}.}

{\ displaystyle {\ begin {bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 2 \\ 1 & 1 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} C \\\\ O \ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} C \\ CO_ {2} \\ CO \ end {bmatrix}}.}

Deoarece CO poate fi exprimat ca CO = (1/2) C + (1/2) CO ₂ , atunci nu este independent în timp ce C și CO sunt alese ca componente ale sistemului. ^[3]

Există două cazuri în care transportatorii pot fi dependenți. Una este că unele perechi de elemente apar întotdeauna în aceeași relație la fiecare specie. Un exemplu este o serie de polimeri care sunt formați din numere diferite de unități identice. Numărul acestor constrângeri este dat de $Z$ ${\ displaystyle Z}$ $Z$ . Mai mult, unele combinații de elemente pot fi interzise de cinetica chimică. Dacă numărul acestor constrângeri este ${R.}^{'}$ ${\ displaystyle R '}$ $R '$ , asa de

C=M-Z+R'.

{\ displaystyle C = M-Z + R '.}

{\ displaystyle C = M-Z + R '.}

Echivalent în celălalt caz, dacă $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ descrie numărul de reacții independente care pot apărea atunci

C=N-Z-R.

{\ displaystyle C = NZR.}

{\ displaystyle C = N-Z-R.}

Constantele sunt legate de relație $N-M$ ${\ displaystyle NM}$ ${\ displaystyle N-M}$ = $R+R'$ ${\ displaystyle R + R '}$ ${\ displaystyle R + R '}$ . ^[2]

Exemple

De aceea , apa pura este un sistem de 1-component (C = 1), din moment ce avem nevoie de ₂ O specie H pentru a indica compoziția. Un amestec de etanol și apă este un sistem cu 2 componente (C = 2), din moment ce avem nevoie de H ₂ O și C ₂ H ₅ OH specii pentru a specifica compoziția acestuia. O soluție apoasă de NaCI este un sistem cu 2 componente (C = 2), deoarece avem nevoie de speciile H ₂ O, Na ⁺ , Cl ^- dar trebuie să ținem cont de constrângerea echilibrului de încărcare (R '= 1).

Sistemul CaCO ₃ - CaO - CO ₂

Acesta este un exemplu de sistem multifazic, care la temperatura normală sunt două solide și un gaz. Există trei specii chimice _(CaCO3, CaO și CO ₂₎ și o reacție:

CaCO ₃ (s)

{\ce {<=>}}

{\ displaystyle {\ ce {<=>}}}

{\ displaystyle {\ ce {<=>}}}

CaO (s) + CO ₂ (g) .

Apoi, numărul de componente care aplică relația C = N - Z - R = 3 - 0 - 1 = 2. ^[1]

Sistemul H ₂ O - H ₂ - O ₂

Reacțiile incluse în secțiunea de calcul sunt doar cele care apar efectiv în condițiile indicate și nu cele care ar putea apărea în alte condiții decât temperatura mai ridicată sau prezența unui catalizator. De exemplu, în disocierea apei în elementele sale există două gaze și un lichid și o reacție:

2H ₂ O (l)

{\ce {<=>}}

{\ displaystyle {\ ce {<=>}}}

{\ displaystyle {\ ce {<=>}}}

2H ₂ (g) + O ₂ (g).

Reacția nu are loc la temperatura obișnuită, deci sistemul de apă, hidrogen și oxigen la 25 ° C are un număr de componente independente egal cu C = N - Z - R = 3 - 0 - 0 = 3. ^[1] ^{[ 3]}

Notă

^ ^a ^b ^c ( EN ) Peter Atkins și de Paula Julio, Physical Chemistry , ediția a VIII-a, WH Freeman and Company, 2006, pp. 175-176, ISBN 978-0-1987-0072-2 .
^ ^a ^b ( EN ) van Zeggeren F.; Storey SH, The computation of chemical equilibries , 1ed pbk, Cambridge (UK), CUP , 2011, pp. 15-18, ISBN 9780521172257 .
^ ^a ^b ( EN ) Zhao Muyu; Wang Zichen; Xiao Liangzhi, Determinarea numărului de componente independente prin metoda lui Brinkley , în J. Chem. Educ , vol. 69, nr. 7, 1992, p. 539, DOI : 10.1021 / ed069p539 .

Bibliografie

Silvestroni P, 11 , în Fundamentals of chemistry , CEA Zanichelli, 2000, pp. 330-333, ISBN 978-8-8408-0998-4 .

Portalul chimiei

Portalul Termodinamicii

[Atkins-1] ( EN ) Peter Atkins și de Paula Julio, Physical Chemistry , ediția a VIII-a, WH Freeman and Company, 2006, pp. 175-176, ISBN 978-0-1987-0072-2 .

[van_Zeggeren-2] ( EN ) van Zeggeren F.; Storey SH, The computation of chemical equilibries , 1ed pbk, Cambridge (UK), CUP , 2011, pp. 15-18, ISBN 9780521172257 .

[Zhao-3] ( EN ) Zhao Muyu; Wang Zichen; Xiao Liangzhi, Determinarea numărului de componente independente prin metoda lui Brinkley , în J. Chem. Educ , vol. 69, nr. 7, 1992, p. 539, DOI : 10.1021 / ed069p539 .

[1]

[2]

[3]