Componentes (termodinámica)

Los componentes (en termodinámica y química)  son constituyentes independientes de la sustancia del sistema, es decir, sustancias químicas individuales que son necesarias y suficientes para componer un sistema termodinámico dado [1] , permiten la separación del sistema y la existencia independiente fuera de él [ 2] [3] [4] [5] . Los cambios en las masas de los componentes expresan todos los cambios posibles en la composición química del sistema, y ​​la masa ( cantidad de sustancia , número de partículas ) de cada sustancia seleccionada como componente no depende de las masas (cantidades de sustancia, número de partículas) de otros componentes [6][2] .

La independencia de los componentes significa que si se utilizan sus masas o concentraciones como variables termodinámicas independientes , entonces se puede:

En particular, cuando se consideran los equilibrios de fase y las reacciones de fase en sistemas de un componente, se puede ignorar la diferencia en las composiciones químicas de las fases coexistentes [7] (si las masas de los componentes se utilizan como variables independientes, o si las mismas se toma la unidad de fórmula para todas las fases cuando se calcula el número de moles del componente [8] ).

Antecedentes históricos

El concepto de componentes del sistema fue introducido por JW Gibbs [9] en 1875-1876.

Componentes y constituyentes de la materia

Las sustancias constituyentes [10] de un sistema termodinámico son todas las sustancias individuales que pueden aislarse del sistema y existir fuera de él. En la literatura rusa, por razones lingüísticas y estilísticas [11] , muy a menudo se desvían de la terminología de la IUPAC y no hablan de sustancias y componentes constituyentes, sino de componentes y componentes independientes [12] [13] [14] .

El número de componentes del sistema es menor que el número de sus sustancias constituyentes por el número de ecuaciones de comunicación (si las hay) entre las masas de estas sustancias [15] [16] . El menor número de componentes es uno.

En el caso más simple de un sistema físico , sobre las concentraciones de sustancias constituyentes en cuyas fases no existen restricciones, los componentes son todos sustancias constituyentes [6] (las restricciones anteriores no incluyen la condición de igualdad 1 de la suma de las fracciones de componentes en cada fase, ya que ya se ha utilizado en la derivación de la regla de fase Gibbs).

Para un sistema químico , las ecuaciones de conexión entre las concentraciones de las sustancias constituyentes incluyen ecuaciones que describen reacciones químicas independientes [17] en este sistema. Si no se imponen restricciones adicionales a la composición del sistema químico, entonces el número de componentes del sistema es igual al número de sustancias constituyentes, menos el número de reacciones químicas independientes [6] . En principio, no importa cuál de las reacciones químicas incluir en el conjunto de reacciones independientes; es importante que este conjunto esté completo. La elección de los componentes sin ser completamente arbitraria: la matriz atómica formulaica (matriz atómica, matriz molecular, matriz de composición) para los componentes debe ser cuadrada , su tamaño (orden) debe coincidir con el número de componentes y el determinante debe ser distinto de cero ( matriz de componentes de fórmula ) [18] [19] [20] , - se determina por conveniencia práctica y permite variaciones por razones de conveniencia para resolver ciertos problemas específicos.

Las condiciones de aislamiento del material [21] impuestas al sistema como un todo no se aplican a las ecuaciones de acoplamiento antes mencionadas y no afectan el cálculo del número de componentes dentro del sistema.

Las ecuaciones de comunicación adicionales no deben incluir masas (cantidades) de sustancias en diferentes fases. En otras palabras, las concentraciones (fracciones) de solo aquellas sustancias que forman parte de una fase deben aparecer en la ecuación adicional de comunicación. A continuación se dan ejemplos específicos de ecuaciones de acoplamiento adicionales (condiciones iniciales [22] ) en sistemas químicos.

Clasificación de los sistemas según el número de componentes

Dependiendo del número de componentes, sistemas de un componente (unario [23] ), de dos componentes (doble, binario), de tres componentes (triple) y multicomponente [2] [24] .

Ejemplos de selección de componentes y búsqueda de su número para sistemas físicos

Sistemas homogéneos : aire atmosférico (los componentes principales son nitrógeno , oxígeno , argón , dióxido de carbono , agua en forma de vapor ); agua destilada (el único componente es agua); agua de mar (los componentes principales son agua, cloruro de sodio y otras sales ); diamante (el único componente es una forma alotrópica metaestable de carbono ); grafito (el único componente es una modificación alotrópica estable del carbono).

Sistemas heterogéneos : sistema formado por hielo , agua líquida y vapor de agua (sistema trifásico de un componente); sistema de vapor de agua - una solución de sal común en agua (partículas - H 2 O, Na + , Cl - , H 3 O + , OH - , etc., sustancias constituyentes, también son componentes - agua y cloruro de sodio, dos- sistema bifásico de componentes).

Ejemplos de elección de componentes y búsqueda de su número para sistemas químicos

Sistema de cuatro fases de dos componentes : sistema de hielo - una solución saturada de sulfato de cobre CuSO 4  - un precipitado de sulfato de cobre CuSO 4 • 5H 2 O - vapor de agua. Tres sustancias constituyentes ( sal , su hidrato y agua), una reacción química

- la formación de un hidrato a partir de sal y agua, 3 - 1 \u003d 2 componentes (agua y sal).

Sistema de dos fases de un componente : un sistema cerrado de cloruro de amonio sólido , que se disocia cuando se calienta en amoníaco gaseoso y cloruro de hidrógeno por la reacción

Tres sustancias constituyentes, una reacción química, una condición adicional (la igualdad de las concentraciones de NH 3 y HCl en la fase gaseosa como resultado del sistema cerrado), 3 - 2 = 1 componente. Si el sistema es abierto y las concentraciones de NH 3 y HCl en la fase gaseosa son arbitrarias, entonces el número de componentes será igual a 2, es decir, el sistema será de dos componentes [25] [26] [27] .

Sistema trifásico de dos componentes : un sistema abierto de óxido de calcio y dióxido de carbono que forma carbonato de calcio por la reacción

Tres sustancias constituyentes, una reacción química, dos componentes. Como componentes, puede elegir dos de las tres sustancias que participan en la reacción química. En base a la formulación del problema, es recomendable elegir las sustancias iniciales (CaO y CO 2 ) como componentes .

Sistema trifásico de dos componentes : un sistema cerrado de carbonato de calcio sólido que, al calentarse, se disocia en óxido de calcio sólido y dióxido de carbono gaseoso por la reacción de obtención de cal viva mediante la tostación de la piedra caliza .

Tres sustancias constituyentes, una reacción química, no hay ecuaciones de conexión adicionales (porque hay una sustancia en cada fase), 3 - 1 = 2 componentes [25] [22] [28] [29] . La conclusión obvia es tres sustancias individuales, una reacción química, una ecuación de enlace adicional (igualdad de los números de moles de CaO y CO 2 como resultado del sistema cerrado), el número de componentes 3 - 2 = 1, es decir, el sistema es de un componente [30]  - es incorrecto.

Dependencia del número de componentes de las condiciones de la reacción química

El número de componentes a tener en cuenta depende de las condiciones en las que se encuentre el sistema. Al cambiar las condiciones, es posible iniciar o inhibir reacciones químicas y, por lo tanto, cambiar el número de enlaces impuestos a los cambios en las masas de las sustancias [6] . Entonces, el sistema hidrógeno H 2  - oxígeno O 2  - agua H 2 O es generalmente de dos componentes, porque la reacción es posible

Sin embargo, a temperatura ambiente y presión atmosférica , esta reacción no tiene lugar ni siquiera en presencia de un catalizador [31] . Por lo tanto, en estas condiciones, el sistema se comporta como uno físico de tres componentes y no como uno químico de dos componentes. Lo mismo es cierto para la reacción entre los dos componentes principales del aire: nitrógeno N 2 y oxígeno O 2

por lo que la mezcla nitrógeno-oxígeno se suele considerar como un sistema físico de dos componentes.

Dependencia del número de componentes en el enunciado del problema

La clase del sistema (físico o químico) y el número de componentes que se tienen en cuenta pueden depender de la formulación del problema, incluida la precisión requerida de los resultados finales [6] . Entonces, considerando el ciclo termodinámico de una máquina de vapor , el agua de alimentación puede considerarse un sistema físico de un solo componente. La comprobación de impurezas en una misma agua (cuando es necesario tener en cuenta sustancias presentes en cantidades muy pequeñas) implica que el agua de alimentación se considera un sistema multicomponente.

Notas

  1. ↑ componente // IUPAC Gold Book Archivado el 8 de marzo de 2015 en Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 3 Componentes (en termodinámica y química) // Gran Enciclopedia Soviética, 1973.
  3. ↑ Eremin E. N., 1978 , p. 311.
  4. ↑ Física. Gran Diccionario Enciclopédico, 1998 , p. 306.
  5. ↑ Enciclopedia física. Volumen 2, 1990 , pág. 430.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Enciclopedia química, volumen 3, 1992 , p. 98.
  7. ↑ Por ejemplo, el azufre cristalino consta de moléculas S 8 , el azufre fundido contiene cadenas de moléculas de diferentes longitudes y en el vapor de azufre hay un equilibrio entre las moléculas S 8 , S 6 , S 4 y S 2 .
  8. ↑ Storonkin A. V., Termodinámica de sistemas heterogéneos, partes 1-2, 1967 , p. 28
  9. ↑ Gibbs, J.W., Termodinámica. Mecánica Estadística, 1982 .
  10. ↑ constituyente // IUPAC Gold Book Archivado el 10 de julio de 2015 en Wayback Machine .
  11. ↑ Si para una sustancia constituyente se requiere indicar su masa, entonces no surgen conflictos: se habla de la "masa de la sustancia constituyente". Si para una sustancia constituyente es necesario indicar su cantidad en moles , la combinación de dos términos estándar correctos - " cantidad de sustancia " y "sustancia componente" - en una frase formalmente correcta "cantidad de sustancia de una sustancia constituyente" conduce a una pérdida de claridad requerida por el estilo científico de presentación , y un giro más simple del discurso “la cantidad de una sustancia constituyente” para personas alejadas de la química pierde su unicidad científica debido a la existencia de una interpretación cotidiana de los términos incluidos en ella. Por otro lado, hablar de la "cantidad del componente", reduce un poco el riesgo de malinterpretar el concepto en discusión.
  12. ↑ Componentes // Gran Enciclopedia Rusa, volumen 14, 2009, p. 700. . Consultado el 19 de marzo de 2017. Archivado desde el original el 20 de marzo de 2017.
  13. ↑ Sivukhin D.V., Termodinámica y física molecular, 2005 , p. 489.
  14. ↑ Putilov K. A., Termodinámica, 1971 , p. 230.
  15. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curso de química física, volumen 1, 1970 , p. 331.
  16. ↑ A. Munster, Termodinámica química, 1971 , p. 15-16.
  17. ↑ Reacciones químicas, cuyas ecuaciones no son combinaciones lineales de las ecuaciones de otras reacciones químicas que ocurren simultáneamente en el sistema.
  18. ↑ Eremin V.V. et al., Fundamentos de Química Física, 2005 , p. 110, 119-120.
  19. ↑ Bazhin N. M. et al., Termodinámica para químicos, 2004 , p. 82.
  20. ↑ Voronin G.F., Fundamentos de termodinámica, 1987 , p. 176-178.
  21. ↑ Storonkin A. V., Termodinámica de sistemas heterogéneos, partes 1-2, 1967 , p. 121.
  22. ↑ 1 2 Daniels F., Alberty R., Química Física, 1978 , p. 93.
  23. ↑ Akopyan A. A., Termodinámica química, 1963 , p. 209.
  24. ↑ Nikolaev G.P., Loiko A.E., 2013 , pág. 133.
  25. ↑ 1 2 Putlyaev V.I., Eremina E.A. Regla de fase (sistemas de un solo componente), 1999 Copia de archivo fechada el 3 de octubre de 2015 en Wayback Machine .
  26. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Regla de las fases, 1964 , p. 135-136.
  27. ↑ Akopyan A. A., Termodinámica química, 1963 , p. 326-327.
  28. ↑ Gerasimov Ya. I. et al., Curso de química física, volumen 1, 1970 , p. 333.
  29. ↑ Dreving V.P., Kalashnikov Ya.A., Regla de las fases, 1964 , p. 136.
  30. ↑ Frolov V.V., Química, 1986 , p. 164-165.
  31. ↑ Las mezclas de hidrógeno y oxígeno son explosivas en estas condiciones, pero se requiere iniciación, por ejemplo, por una chispa eléctrica , para iniciar la reacción química en cuestión .

Literatura