Komponente (Thermodynamik) - Component (thermodynamics)

In der Thermodynamik gehört eine Komponente zu einer Sammlung chemisch unabhängiger Bestandteile eines Systems . Die Anzahl der Komponenten stellt die Mindestanzahl unabhängiger Arten dar, die zur Definition der Zusammensetzung aller Phasen des Systems erforderlich sind.

Die Berechnung der Anzahl von Komponenten in einem System ist erforderlich, wenn die Gibbs'sche Phasenregel zur Bestimmung der Anzahl von Freiheitsgraden eines Systems angewendet wird.

Die Anzahl der Komponenten entspricht der Anzahl der verschiedenen chemischen Spezies (Bestandteile) abzüglich der Anzahl der chemischen Reaktionen zwischen ihnen abzüglich der Anzahl der Einschränkungen (wie Ladungsneutralität oder Gleichgewicht der molaren Mengen).

Berechnung

Angenommen, ein chemisches System hat M Elemente und N chemische Spezies (Elemente oder Verbindungen). Letztere sind Kombinationen der ersteren, und jede Art A i kann als Summe von Elementen dargestellt werden:

wobei E j das Symbol für das Element j ist und a ij die Komponenten einer N x M- Matrix sind . Jede Art wird durch einen Vektor (eine Reihe dieser Matrix) bestimmt, aber die Reihen sind nicht unbedingt linear unabhängig . Wenn der Rang der Matrix C ist , gibt es C linear unabhängige Vektoren, und die verbleibenden NC- Vektoren können durch Addieren von Vielfachen dieser Vektoren erhalten werden. Die durch diese C- Vektoren dargestellten chemischen Spezies sind Bestandteile des Systems.

Wenn zum Beispiel die Spezies C (in Form von Graphit ), CO 2 und CO sind, dann

Da CO ausgedrückt werden kann als CO = (1/2) C + (1/2) CO 2 , ist es nicht unabhängig und C und CO können als Komponenten des Systems ausgewählt werden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Vektoren abhängig sein können. Zum einen erscheinen einige Elementpaare bei jeder Art immer im gleichen Verhältnis. Ein Beispiel ist eine Reihe von Polymeren , die aus einer unterschiedlichen Anzahl identischer Einheiten bestehen. Die Anzahl solcher Einschränkungen ist durch Z gegeben . Zusätzlich können einige Kombinationen von Elementen durch chemische Kinetik verboten sein. Wenn die Anzahl solcher Einschränkungen R 'ist , dann

Wenn R die Anzahl der unabhängigen Reaktionen ist, die stattfinden können, dann

Die Konstanten sind durch N - M = R + R 'verbunden .

Beispiele

CaCO 3 - CaO - CO 2 -System

Dies ist ein Beispiel für ein System mit mehreren Phasen, die bei normalen Temperaturen zwei Feststoffe und ein Gas sind. Es gibt drei chemische Spezies (CaCO 3 , CaO und CO 2 ) und eine Reaktion:

CaCO 3 ⇌ CaO + CO 2 .

Die Anzahl der Komponenten beträgt dann 3 - 1 = 2.

Wasser - Wasserstoff - Sauerstoff

Die in die Berechnung einbezogenen Reaktionen sind nur diejenigen, die tatsächlich unter den gegebenen Bedingungen auftreten, und nicht diejenigen, die unter verschiedenen Bedingungen wie höherer Temperatur oder der Anwesenheit eines Katalysators auftreten können. Beispielsweise tritt die Dissoziation von Wasser in seine Elemente bei gewöhnlicher Temperatur nicht auf, so dass ein System aus Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff bei 25 ° C 3 unabhängige Komponenten aufweist.

Verweise

  1. ^ a b c Peter Atkins und Julio de Paula, "Physical Chemistry", 8. Auflage (WH Freeman 2006), S. 175-176
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  3. ^ a b Zhao, Muyu; Wang, Zichen; Xiao, Liangzhi (Juli 1992). "Bestimmung der Anzahl unabhängiger Komponenten nach Brinkleys Methode". Journal of Chemical Education . 69 (7): 539. doi : 10.1021 / ed069p539 .