Klasyfikacja układów materialnych, analizowanych w termodynamicetermodynamikatermodynamice w ujęciu makroskopowym, dzieli je na układyukładukłady heterogeniczne i homogeniczne. Podział ten wynika bezpośrednio z faktu, że ich elementy różnią się właściwościami fizycznymi (stan skupienia, rozpuszczalność, temperatura topnienia) lub nie. Na dany układ składają się wszystkie substancje biorące udział w procesie. Wyodrębniona część układu o takich samych właściwościach to fazafazafaza. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje faz: ciało stałe, ciecz i gaz. Są one oddzielone od pozostałych części układu powierzchniami, zwanymi granicami faz. Mogą one przechodzić jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli ∆S>0 lub ∆G<0 (∆S – entropiaentropiaentropia, ∆G – entalpia swobodnaentalpia swobodnaentalpia swobodna). Występowanie różnych faz dla danego układu w pewnych zakresach temperatur i ciśnienia oraz ich wzajemnych przemian, można przedstawiać przy użyciu diagramu fazowego.

R1A6dd3FEEchz

Ilustracja przedstawiająca schematycznie diagram fazowy dla jednoskładnikowego układu. Po prawej stronie znajduje się diagram jako zależność cieśnienia (oś pionowa) od temperatury (oś pozioma). W dolnej części pionowej osi w pobliżu początku układu współrzędnych zaczyna się krzywa, która jest rosnąca i dzieli układ na dwie powierzchnie. Poniżej krzywej faza gazowa, zaś powyżej ciało stałe. Krzywa zaś odpowiada współistnieniu fazy gazowej i ciała stałego. Krzywa biegnie i rozwidla się na dwie krzywe w punkcie potrójnym, w którym to współistnieją trzy fazy. Pomiędzy dwiema krzywymi znajduje się powierzchnia, której zbiór punktów odpowiada temperaturom oraz ciśnieniom, dla jakich składnik występuje w fazie ciekłej. Krzywa znajdująca się po prawej stronie, idąc od początku krzywej pierwotnej, rośnie łagodnie i wyznacza równowagę pomiędzy fazą ciekłą i gazową (powierzchnia poniżej krzywej). Druga krzywa rośnie gwałtownie i wyznacza równowagę pomiędzy stanem ciekłym oraz stałym. Obok diagramu opisano topnienie, czyli przemianę z ciała stałego w ciecz. Krzepnięcie, czyli przemiana z fazy ciekłej w fazę stałą. Parowanie, to jest przemiana z fazy ciekłej w fazę gazową. Skraplanie, czyli przemiana z fazy gazowej w fazę stałą. Sublimacja, to jest przemiana z ciała stałego w gaz. Resublimacja, czyli przemiana z fazy gazowej w ciało stałe.

Taki diagram ilustruje zależność istnienia faz układu w zależności od ciśnienia i temperatury. Obecne na tym wykresie linie rozgraniczające opisują stany równowagi między odpowiednimi fazami, tj: ciało stałe‑gaz, ciało stałe‑ciecz, oraz gaz‑ciecz. Na wykresie występuje również punkt (punkt potrójny), który wskazuje warunki współistnienia trzech faz równocześnie. Ważne w tym aspekcie są również pojęcia ciśnienia krytycznego oraz temperatury krytycznej. Za ciśnienie krytyczne uważa się najwyższe ciśnienie, pod którym można przeprowadzić ciecz w gaz lub maksymalne ciśnienie pary nasyconej nad cieczą. Temperatura krytyczna to ta najwyższa, w której można skroplić gaz, powodując wzrost ciśnienia. Temperatura krytyczna i ciśnienie krytyczne opisują tzw. punkt krytyczny, w którym ciecz i gaz stają się nierozróżnialne.

Z powyższymi pojęciami związana jest reguła faz Gibbsa. Jest to zależność, która obowiązuje dla każdego układu występującego w równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz (f) w układzie z liczbą składników niezależnych (n) oraz liczbą stopni swobody (s).

Liczba stopni swobody (s) to liczba niezależnych zmiennych intensywnych, którą można zmieniać, nie ingerując przy tym w liczby faz w równowadze układu izolowanego.

Składniki niezależne układu (liczba składników niezależnych – n) to najmniejsza liczba składników rozpatrywanego układu, niezbędna do zbudowania każdej fazy układu w dowolnej ilości. W przypadkach, kiedy między składnikami układu mogą zachodzić reakcje chemiczne, liczbę składników niezależnych układu oblicza się odejmując od ogólnej liczby składników (tj. ogólnej liczby substancji, z jakich składa się rozpatrywany układ) liczbę niezależnych równań reakcji chemicznych.

RqnSMy83liQDu1

Zdjęcie przedstawiające fragment oszlifowanego granitu, który jest układem heterogeniczny. Skała zbudowana jest z różnych minerałów, co sprawia, że jest różnobarwna. Tutaj, czarno-biało-szaro-brązowawa.

Przykładem układu heterogenicznego jest granit – skała zbudowana z kwarcu, skalenia potasowego, plagioklazu oraz biotytu, ale przykładem może być również włoski dressing czy ciasteczka z kawałkami orzechów i czekolady.

Układem heterogenicznym nazywamy więc taki układ, który jest niejednorodny bądź też jest wielofazowy. Może zawierać równocześnie wiele faz stałych, ciekłych i jedną fazę gazową (ponieważ gazy w sposób idealny ulegają wymieszaniu). W przypadku granitu możemy zaobserwować kilka faz stałych, które stanowią kwarc, skaleń potasowy, plagioklaz czy biotyt. Ciasteczka również zawierają kilka faz stałych, m.in. czekolada, orzechy i ciasto, z którego wykonane jest ciasteczko. Włoski dressing składa się z fazy ciekłej, którą stanowi oliwa z oliwek, i z wielu faz stałych, jakimi są przyprawy.

R18BXYJzhjUyH1

Zdjęcie przedstawiające dwie butelki z napojem izotonicznym, pierwszy ma kolor niebieski, zaś drugi czerwony. Leżą one z drewnianych deskach. W tle znajduje się trawa.

Przykładami układu homogenicznego są: wodny roztwór soli kuchennej, benzyna, powietrze, syrop klonowy oraz izotonik. Układem homogenicznym nazywamy zatem taki układ, który jest jednorodny bądź także jednofazowy.

Każdy układ składa się z substancji chemicznych, które nazywane są składnikami układu. Jeśli w danym układzie pojedyncza faza zawiera tylko jeden składnik, mówi się, że zawiera ona substancję czystą. Inna sytuacja ma miejsce wtedy, gdy dana faza posiada więcej składników. Wówczas nazywana jest roztworem. Ze względu na to, że faza może być cieczą, ciałem stałym lub gazem, wyróżnia się roztwory ciekłe, stałe lub gazowe.

W układach mogą zachodzić dwa typy przemian:

• przemiany fazowe;

• przemiany chemiczne (reakcje chemiczne).

Przemiany fazowe to takie przemiany, w wyniku których nie obserwuje się zanikania obecnych ani powstawania nowych substancji chemicznych. Mogą jednak następować zmiany stanów skupienia oraz struktury (jedna faza może znikać kosztem pojawienia się nowej fazy). Do takich przemian należą np. sublimacjasublimacjasublimacja, parowanie oraz przemiany polimorficzne, np. siarki rombowej w jednoskośną.

Przemiany chemiczne, czyli inaczej ujmując reakcje, to przemiany, w wyniku których znikają obecne w układzie substancje, a pojawiają się nowe. Przemiany tego typu mogą przebiegać między substancjami znajdującymi się w jednej fazie (np. hydroliza) lub też w kilku fazach (rekcja spalania).

Zarówno przemiany fazowe, jak i przemiany chemiczne są związane z określonymi efektami cieplnymi. Przykładowo – parowanie związane jest z pochłanianiem ciepła, podobnie jak endotermiczna reakcja termicznego rozkładu węglanu wapnia. Z oddawaniem ciepła mamy do czynienia w trakcie krzepnięcia wody oraz podczas reakcji magnezu z kwasem solnym.

Typy i przykłady mieszanin homogennych:

Typy i przykłady mieszanin homogennych:

Mieszaniny płynne: czysta woda, ocet, olej kokosowy.

Mieszaniny gazowe: powietrze w atmosferze.

Stałe mieszaniny: rudy mineralne, stopy (np. stal, brąz, mosiądz).

Przykłady mieszanin heterogenicznych:

Przykłady mieszanin heterogenicznych:

Emulsje: niejednorodna mieszanina dwóch cieczy. Mieszanina oleju i wody jest tego dobrym przykładem lub wspomniany już wcześniej włoski dressing.

R19eusUBXBjuo

Zdjęcie przedstawiające mieszaninę oleju z wodą, które tworzą emulsję. Na fotografii znajdują się zdyspergowane drobiny oleju w postaci kulek w fazie wodnej.

Zawiesiny: duże cząstki ciał stałych są rozproszone w cieczy. Przykładem jest mieszanka gleby i wody bądź też mąki z wodą.

RNah4kvVXmwo4

Zdjęcie przedstawiające białą zawiesinę mąki w wodzie znajdującej się w szklance.

Aerozole ciekłe: drobne kropelki cieczy są zawieszone w gazie. Perfumy to płynny aerozol.

RSYahXNOSQJOq

Zdjęcie przedstawiające kobietę znajdującą się na zewnątrz. Trzyma ona w prawej dłoni flakon perfum, którym spryskuje lekko kręcone jasne włosy. Ma na sobie zieloną koszulę i szal. W tle znajduje się roślinność.

Aerozol stały: gdy cząstki stałe są rozproszone w gazie, powstają stałe aerozole. Dobrym jego przykładem jest dym.

RBEsxUtoe52Bd

Zdjęcie przedstawiające miasto, nad którym unosi się gęsty dym. Zza niego przebijają pomarańczowe promienie słońca.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.