동종 및 이기종 시스템

물리 화학적 시스템의 분류

재료 시스템의 균질성을 분석할 때 거시적 척도는 이를 균질 시스템과 이종 시스템의 두 가지 주요 그룹으로 분류합니다. 이 분류는 물리적 특성, 즉 물리적 상태, 용해도 및 녹는점에 따라 다르며 다를 수 있습니다. 모든 시스템에는 특정 반응이나 프로세스에 참여하는 모든 물질이 포함됩니다. 시스템에서 동일한 특성을 유지하여 명확하게 두드러지는 부분을 위상이라고 합니다. 고체, 액체 및 기체의 세 가지 유형의 위상이 있습니다. 이들과 나머지 시스템 사이에 있는 표면을 인터페이스라고 합니다. 자유 엔탈피(ΔG) 또는 엔트로피(ΔS)에 따라 ΔS>0 또는 ΔG<0인 경우 한 위상이 다른 위상으로 변환될 수 있습니다.

상평형 다이어그램

서로 다른 상의 존재를 그래픽으로 표현한 것을 상평형도라고 합니다. 여기에는 특정 단계의 존재(특정 온도 및 압력 범위에 도달한 경우)와 상호 변환이 포함됩니다. 1성분 시스템에 대한 개략적인 상평형도는 공정 조건에 따라 세 가지 주요 상이 있음을 보여줍니다. 그것이 보여주는 선은 고체와 기체 사이, 고체와 액체 사이, 기체와 액체 사이의 두 상 사이의 평형 상태를 나타냅니다. 따라서 중요한 매개변수 중 하나를 알면 해당 성분의 용융, 동결, 증발, 응축, 승화 또는 재승화를 유발하는 조건을 결정할 수 있습니다. 또한 다이어그램에는 모든 상선이 연결되는 삼중점이 포함되어 있으며, 이는 3상이 모두 지정된 조건에서 공존할 수 있음을 나타냅니다. 다이어그램에는 임계 압력과 임계 온도라는 두 가지 중요한 사항도 포함되어 있습니다. 임계 압력은 액체를 기체로 변환할 수 있는 최대 압력 또는 액체 위의 포화 증기의 최대 가능한 압력을 나타내는 지점으로 표시됩니다. 임계 온도의 개념은 압력이 증가함에 따라 가스가 응축될 수 있는 최고 온도를 정의합니다. 따라서 임계온도 및 임계압력 조건에 존재하는 임계점은 액상과 기상을 구별할 수 없는 상태를 정의한다.

깁스 위상 규칙

열역학적 평형 상태에 있는 모든 시스템에 적용할 수 있는 특정 관계입니다. 해당 규칙을 나타내는 방정식에는 독립 구성 요소의 수(n) 및 자유도 수(s)와 함께 시스템에 존재하는 위상 수(f)가 포함됩니다. s 숫자는 조정 가능한 집중 변수의 양에 해당하며, 변경되더라도 격리된 시스템의 평형에서 위상 수를 방해하지 않습니다. 인텐시브 변수는 시스템(예: 기하학적 크기 또는 부피)이나 분자 수, 무게, 비열 등에 전혀 의존하지 않는 물리적 값입니다. 방정식은 다음과 같습니다. 시스템의 독립 구성 요소 , n으로 지정된 것은 각 단계를 수량에 관계없이 구축하는 데 필요한 시스템 구성 요소의 가장 적은 수를 실질적으로 나타냅니다. 구성 요소가 서로 반응할 수 있는 시스템을 분석하는 경우 시스템을 구성하는 전체 구성 요소 수에서 독립적인 반응 방정식의 수를 빼서 n 값을 계산합니다. 따라서 다음 표기법을 가정하면 다음과 같습니다. 독립 방정식의 수는 1입니다. 시스템에서 발생하는 특정 반응을 조사합니다. 독립 방정식은 다른 방정식을 결합하여 얻을 수 없는 화학 방정식 시스템입니다. 반면에 이러한 시스템의 구성 요소 수는 3개입니다. 이들은 CaCO ₃ , CaO 및 CO ₂ 입니다. 이 정보를 통해 독립 성분의 수를 계산할 수도 있습니다. n = 성분의 수 – 독립 방정식의 수, 따라서 n = 3 – 1 = 2 동일한 예를 사용하여 자유도를 계산할 수 있습니다. Gibbs 위상 규칙에 대한 방정식 사용: s = n – f + 2 = 2 – 3 + 2 = 1 이 값은 시스템 평형에서 안정적인 위상 양을 유지하기 위해 하나의 집중 변수만 작동할 수 있음을 나타냅니다.

이기종 시스템

둘 이상의 상을 포함하는 모든 시스템(따라서 비균질 시스템)도 이기종입니다. 단계의 유형은 관련이 없습니다. 이종 시스템은 동시에 여러 고체 및 액체 상을 포함할 수 있지만 하나의 기체 상만 포함할 수 있습니다. 이것은 가스가 완벽한 방식으로 혼합된다는 사실 때문입니다. 이종 시스템의 흥미로운 예는 화강암입니다. 화강암에는 석영, 칼륨 장석, 사장석 및 흑운모를 비롯한 많은 고체상이 포함되어 있습니다. 지방, 향신료 및 기타 첨가제로 구성된 다성분 뮤즐리 또는 샐러드 소스와 같은 많은 식품은 이질적이고 완벽한 예라고 할 수 있습니다. 비균질 혼합물의 흥미로운 유형은 콜로이드(현미경으로만 구성 성분을 구별할 수 있는 용액)입니다. 그러나 대부분의 경우 간단한 방법이나 도구로 분리할 수 있습니다. 예를 들어, 물과 기름으로 구성된 혼합물을 분리하기 위해 디캔테이션을 사용할 수 있습니다. 성분은 육안으로 볼 수 있습니다. 비균질 혼합물을 효과적으로 분리하기 위해 사용할 수 있는 다른 방법으로는 여과, 기계적 분리 또는 원심분리가 있습니다. 특성이 다른 광물 혼합물의 경우에도 유사합니다. 석영, 운모 및 장석은 망치로도 분리할 수 있습니다.

동종 시스템

이기종 시스템과 달리 동종 시스템은 단 하나의 위상만 존재하는 것이 특징입니다. 이 경우 육안으로 성분을 구분할 수 없습니다. 단순한 분리 방법도 비효율적이며 물리적 특성에 기반한 방법만이 유용할 수 있습니다. 이러한 방법의 예로는 특정 시스템의 다양한 끓는점을 기반으로 하는 증류에 의한 분리가 있습니다. 균질 혼합물을 분리하는 데 효과적인 다른 방법은 결정화 및 크로마토그래피입니다. 균질 시스템의 특수한 유형은 단 하나의 구성 요소만 포함하는 상만 있는 순수 물질입니다. 또 다른 예로는 모든 유형의 균질 용액 및 혼합물이 있습니다. 하나의 상만 존재하더라도 시스템에는 많은 구성 요소가 포함될 수 있습니다. 시스템에 존재하는 상은 액체, 고체 또는 기체일 수 있으므로 용액도 이러한 형태를 취할 수 있습니다. 이러한 시스템의 예로는 액체 혼합물(식초, 물), 기체 혼합물(대기 중 공기) 및 광물 광석과 청동 또는 황동과 같은 모든 유형의 합금을 포함한 고체 혼합물이 있습니다.

시스템의 전환

두 가지 유형의 전이가 시스템에서 발생할 수 있는데, 이들은 위상(물리적 전이라고도 함) 및 화학적 전이입니다. 전자는 새로운 화학 물질을 생성하지 않는 모든 전이를 포함합니다. 또한 이미 존재하는 구성 요소의 퇴색을 특징으로 하지 않습니다. 그러나 이름에서 알 수 있듯이 이러한 구조나 물리적 상태의 변화로 이어집니다. 원래의 상이 사라지면서 새로운 상이 형성될 수도 있습니다. 상전이의 예로는 요소의 재승화 및 다형성 전이가 있습니다. 화학적 전이는 완전히 다른 메커니즘을 보여줍니다. 이들은 원래 구성 요소를 대체하는 새로운 물질을 생성하는 반응입니다. 그러한 전이는 예를 들어 하나 이상의 단계에서의 가수분해 동안 뿐만 아니라 연소 동안 두 가지 변형으로 수행될 수 있다.

화학 반응

1. 균질 반응은 기질과 제품을 포함한 전체 시스템이 한 단계일 때 발생합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

2. 불균일 반응은 기질 및 생성물을 포함하는 시스템이 적어도 두 가지 다른 단계에 있는 반응입니다. 이러한 반응은 항상 인터페이스에서 발생합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.