Условия существования систем

Любая химическая система существует в каких-то условиях: при определенных температуре и давлении, при определенной напряженности гравитационного, магнитного, электрического и электромагнитного полей.

На столе в пробирке при обычных условиях идет реакция.

Но что значит «обычные условия»? Их легко перечислить: температура — комнатная, т. е. около 20 °C, давление — атмосферное, т. е. около 101 кПа, ускорение силы тяжести — в среднем около 9,8 м/с², напряженность магнитного ноля — в среднем около 40 А/м, напряженность электрического поля — в среднем около 130 В/м, освещенность видимым светом — в среднем около 500 лк.

Все эти параметры настолько привычны, что мы зачастую забываем про них, особенно про действие нолей. Но теперь уже реально исследуются различия в протекании химических реакций на Земле и в невесомости.

Как, например, будет реагировать железо с кислотой в невесомости в отсутствии гравитационного поля, когда железо не будет тонуть в кислоте, а водород не будет выделяться из жидкой фазы?

Во многих методах исследования используются очень сильные магнитные и электрические поля. В условиях интенсивного облучения рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым и даже видимым светом многие системы ведут себя иначе, чем при обычных условиях (см. параграф 11.11).

Рассмотрим действие двух факторов — температуры и давления, которые меняются в широких пределах не только, но желанию экспериментатора, но и просто во время прохождения реакции.

Фазовые равновесия веществ

В зависимости от условий вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний — твердом, жидком или газообразном. Эта зависимость отражается фазовой диаграммой, которую для чистых веществ изображают в координатах «давление —температура» и называют Р— Г-диаграммой. Диаграмма показывает, во-первых, каковы границы температуры и давления, в которых вещество находится в определенном агрегатном состоянии,.

Рис. 4.5. Фазовая диаграмма воды в окрестностях тройной точки.

т.е. в определенной фазе, и, во-вторых, значения температуры и давления, при которых сосуществуют две или три фазы, образуемые данным веществом.

На рис. 4.5 приведена часть фазовой диаграммы воды. Линии 7, 2 и 3 делят все поле условий на три области в каждой из которых вода существует в какой-либо одной фазе.

I. Область низких давлений и высоких температур — область существования водяного пара.

II. Область высоких давлений и низких температур, — область существования твердой воды (льда).

III. Область высоких давлений и высоких температур — область существования жидкой воды.

Разумеется, конкретные значения «высоких» или «низких» давлений и температур зависят от природы вещества: на фазовой диаграмме золота они будут не такими, как па фазовой диаграмме ртути, но взаимное расположение трех упомянутых областей на всех диаграммах — воды, золота, ртути и др. — будет одинаково.

Линии отвечают условиям, при которых сосуществуют две фазы.

Линия 1 отвечает таким значениям Р и Т, при которых сосуществуют лед и пар. Она называется кривой насыщенного пара льда.

Линия 2 отвечает таким значениям Р и Т, при которых сосуществуют лед и жидкая вода. Давления при этом так велики, что пар существовать уже не может. Она называется кривой кристаллизации воды.

Линия 3 отвечает таким значениям Р и Т, при которых сосуществуют жидкая вода и пар. Это кривая насыщенного пара воды.

При неизменных Р и Г, отвечающих какой-либо точке на одной из этих линий, в системе может происходить только изменение масс сосуществующих фаз. Или иначе — произвольно изменить условия состояния равновесной двухфазной системы можно только после исчезновения одной из фаз. Например, воду в чайнике можно нагреть при давлении в 101 к11а (под атмосферным давлением воздуха) от комнатной температуры, при которой давление пара около 2 кПа, до 100 °C (см. рис. 4.5). При этой температуре давление водяного пара, сосуществующего с жидкостью, достигнет давления, равного атмосферному, т. е. 101 кПа. Далее вся подводимая теплота будет тратиться на увеличение массы пара, а Р и Т в двухфазной системе внутри чайника будут оставаться неизменными. Температуру пара внутри чайника можно повысить (и испортить чайник) только после исчезновения жидкой воды и выхода в однофазную область пара.

Если же мы хотим сохранить фазовый состав системы (т.е. сохранить в системе обе фазы), то произвольному изменению одного из параметров Р или Г — должно соответствовать строго определенное изменение другого. Эта взаимосвязь и отражается линиями двухфазного равновесия.

Все три линии пересекаются в точке А. Это совершенно особая точка на диаграмме, так как при этих условиях должны сосуществовать все три фазы.

Точка А называется тройной точкой и характеризуется совершенно определенными, строго постоянными для каждого вещества значениями Ри Т.

Тройной точке воды соответствует Р = 0,612 кПа и Т = +0,01°С, а тройная точка ртути находится при Р = 0,26 Па и Т= -38,8°С.

Переход из одного агрегатного состояния в другое существенно меняет свойства веществ, и зачастую одни и те же вещества в разных фазах реагируют по-разному. Например, хлор реагирует с жидкой водой с образованием двух кислот:

но с парами воды реакция идет иначе:

Для того, чтобы понимать особенности реакций, протекающих в различных фазах, необходимо познакомиться с особенностями строения и поведения газов, жидкостей и твердых фаз, а также образуемых ими систем.