Компоненты (в термодинамике и химии) — независимые составляющие вещества системы, то есть индивидуальные химические вещества, которые необходимы и достаточны для составления данной термодинамической системы[1], допускают выделение из системы и независимое существование вне её[2][3][4][5]. Изменения масс компонентов выражают все возможные изменения в химическом составе системы, а масса (количество вещества, число частиц) каждого вещества, выбранного в качестве компонента, не зависит от масс (количеств вещества, числа частиц) других компонентов[6][2].
Независимость компонентов означает, что если их массы или концентрации использовать в качестве независимых термодинамических переменных, то можно:
- не принимать во внимание химические реакции при термодинамическом рассмотрении систем и процессов;
- применять правило фаз при рассмотрении гетерогенных равновесий.
В частности, при рассмотрении фазовых равновесий и фазовых реакций в однокомпонентных системах допустимо игнорировать разницу в химических составах сосуществующих фаз[7] (если использовать в качестве независимых переменных либо массы компонентов, либо принимать для всех фаз одну и ту же формульную единицу при вычислении числа молей компонента[8]).
Историческая справка
Понятие о компонентах системы было введено Дж. У. Гиббсом[9] в 1875—1876 годах.
Компоненты и составляющие вещества
Составляющими веществами[10] термодинамической системы называют все индивидуальные вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать вне её. В отечественной литературе по языково-стилистическим причинам[11] достаточно часто отступают от ИЮПАКовской терминологии и говорят не о составляющих веществах и компонентах, а о компонентах и независимых компонентах[12][13][14].
Число компонентов системы меньше числа составляющих её веществ на число уравнений связи (если таковые имеются) между массами этих веществ[15][16]. Наименьшее число компонентов — один.
В простейшем случае физической системы, на концентрации составляющих веществ в фазах которой не наложены ограничения, компонентами являются все составляющие вещества[6] (к упомянутым ограничениям не относится условие равенства 1 суммы долей компонентов в каждой фазе, поскольку оно уже было использовано при выводе правила фаз Гиббса).
Для химической системы в число уравнений связи между концентрациями составляющих веществ входят уравнения, описывающие независимые химические реакции[17] в этой системе. Если на состав химической системы не наложены дополнительные ограничения, то число компонентов системы равно числу составляющих веществ, уменьшенному на число независимых химических реакций[6]. Не имеет принципиального значения, какие из химических реакций включить в набор независимых реакций — важно, чтобы этот набор был полон. Выбор компонентов, не будучи полностью произвольным — формульная атомная матрица (атомная матрица, молекулярная матрица, матрица состава) для компонентов должна быть квадратной, её размер (порядок) должен совпадать с числом компонентов, а детерминант должен быть отличен от нуля (формульная компонентная матрица)[18][19][20], — определяется практической целесообразностью и допускает варьирование по соображениям удобства решения тех или иных конкретных задач.
Условия материальной изоляции[21], накладываемые на систему в целом, не относятся к упоминавшимся выше уравнениям связи и не влияют на подсчёт числа компонентов внутри системы.
В дополнительные уравнения связи не должны входить массы (количества) веществ, находящихся в разных фазах. Другими словами, в дополнительном уравнении связи должны фигурировать концентрации (доли) только тех веществ, которые входят в состав одной фазы. Конкретные примеры дополнительных уравнений связи (начальных условий[22]) в химических системах приведены ниже.
Классификация систем по числу компонентов
В зависимости от числа компонентов однокомпонентные (унарные[23]), двухкомпонентные (двойные, бинарные), трёхкомпонентные (тройные) и многокомпонентные системы[2][24].
Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для физических систем
Гомогенные системы: атмосферный воздух (основные компоненты — азот, кислород, аргон, углекислый газ, вода в виде пара); дистиллированная вода (единственный компонент — вода); морская вода (основные компоненты — вода, хлорид натрия и другие соли); алмаз (единственный компонент — метастабильная аллотропная форма углерода); графит (единственный компонент — стабильная аллотропная модификация углерода).
Гетерогенные системы: система, образованная льдом, жидкой водой и водяным паром (трёхфазная однокомпонентная система); система водяной пар — раствор поваренной соли в воде (частицы — H2O, Na+, Cl–, H3O+, OH– и др., составляющие вещества, они же компоненты — вода и хлорид натрия, система двухкомпонентная двухфазная).
Примеры выбора компонентов и нахождения их числа для химических систем
Двухкомпонентная четырёхфазная система: система лёд — насыщенный раствор сульфата меди CuSO4 — осадок медного купороса CuSO4•5H2O — водяной пар. Три составляющих вещества (соль, её гидрат и вода), одна химическая реакция
— образование гидрата из соли и воды, 3 — 1 = 2 компонента (вода и соль).
Однокомпонентная двухфазная система: закрытая система из твёрдого хлорида аммония, диссоциирующего при нагревании на газообразные аммиак и хлористый водород по реакции
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное условие (равенство концентраций NH3 и HCl в газовой фазе как следствие закрытости системы), 3 — 2 = 1 компонент. Если же система открытая и концентрации NH3 и HCl в газовой фазе произвольны, то число компонентов будет равно 2, т. е. система будет двухкомпонентной[25][26][27].
Двухкомпонентная трёхфазная система: открытая система из оксида кальция и диоксида углерода, образующих карбонат кальция по реакции
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, два компонента. В качестве компонентов можно выбрать любые два из трёх принимающих участие в химической реакции веществ. Исходя из постановки задачи, в качестве компонентов целесообразно выбрать исходные вещества (CaO и СО2).
Двухкомпонентная трёхфазная система: закрытая система из твёрдого карбоната кальция, диссоциирующего при нагревании на твёрдый оксид кальция и газообразный диоксид углерода по реакции получения негашёной извести обжигом известняка
Три составляющих вещества, одна химическая реакция, дополнительные уравнения связи отсутствуют (поскольку в каждой фазе по одному веществу), 3 — 1 = 2 компонента[25][22][28][29]. Напрашивающийся вывод — три индивидуальных вещества, одна химическая реакция, одно дополнительное уравнение связи (равенство чисел молей CaO и СО2 как следствие закрытости системы), число компонентов 3 — 2 = 1, т. е. система однокомпонентна[30] — неверен.
Зависимость числа компонентов от условий протекания химической реакции
Число принимаемых во внимание компонентов зависит от условий, в которых находится система. Изменяя условия, можно инициировать или тормозить химические реакции и тем самым менять число связей, накладываемых на изменения масс веществ[6]. Так, система водород Н2 — кислород О2 — вода Н2О в общем случае является двухкомпонентной, потому что возможна реакция
Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении эта реакция не идёт даже в присутствии катализатора[31]. Поэтому в данных условиях система ведёт себя как трёхкомпонентная физическая, а не как двухкомпонентная химическая. Сказанное справедливо и для реакции между двумя основными компонентами воздуха — азотом N2 и кислородом О2
так что азотно-кислородную смесь обычно рассматривают как двухкомпонентную физическую систему.
Зависимость числа компонентов от постановки задачи
Класс системы (физическая или химическая) и число учитываемых в ней компонентов может зависеть от постановки задачи, в том числе от требуемой точности конечных результатов[6]. Так, рассматривая термодинамический цикл паровой машины, питательную воду можно считать однокомпонентной физической системой. Проверка этой же воды на содержание примесей (когда требуется учитывать вещества, присутствующих в очень малых количествах) подразумевает, что питательную воду рассматривают как многокомпонентную систему.
Примечания
Литература
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.