8. Теория химических процессов

8.1. Предмет и основные понятия теории химических процессов

Химические реакции являются одним из важнейших объектов изучения химической науки. Теория химических процессов изучает общие закономерности, присущие различным реакциям, направление протекания этих реакций, влияние тех или иных факторов на химическое взаимодействие. Основными разделами теории химических процессов являются химическая термодинамика, химическая кинетика и учение о химическом равновесии, а предметом изучения - термодинамические системы.

Термодинамические системы - это тело или совокупность тел в объеме, отграниченном от окружающей среды реальными или условными перегородками.

Можно выделить три типа термодинамических систем:

1. Изолированные системы. Не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Изолированная система - абстрактное понятие, не реализуемое в окружающем нас мире. Реальные системы могут лишь приближаться к изолированным.

2. Закрытые системы. Обмениваются с окружающей средой энергией, но не обмениваются веществом. Примером такой системы может служить герметизированный сосуд, заполненный газом: если погружать такой сосуд то в горячую, то в холодную воду, энергия системы будет меняться, а количество вещества - нет.

3. Открытые системы. Обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. В качестве примера открытой системы можно привести работающую доменную печь. Организмы человека, животных и растений тоже являются открытыми системами.

Вещества, способные к самостоятельному существованию, которые могут быть выделены из системы, называются составными частями системы. Пусть, например, система образована смешиванием растворов хлорида бария и сульфата калия. Число составных частей этой системы будет равно шести, так как из системы можно выделить BaCl₂2H₂O, BaCl₂, K₂SO₄, BaSO₄, KCl и H₂O.

Любая система включает одну или несколько фаз. Фаза – это совокупность частей системы, одинаковых по составу, физическим и химическим свойствам и отделенных от других частей системы поверхностями раздела. Так, например, насыщенный раствор хлорида натрия является однофазной системой, состоящей из двух составных частей. Система, содержащая лед, жидкую воду и водяной пар - трехфазная система с одной составной частью.

Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными, системы, включающие несколько фаз - гетерогенными. Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Примером фазовых переходов могут служить плавление, кристаллизация или кипение вещества.

Важной характеристикой системы является ее компонентность. Совершенно очевидно, что для образования той или иной системы не обязательно необходимы все составные части этой системы. Наименьшее число составных частей системы, необходимое и достаточное для ее образования, называется компонентностью данной системы, а необходимые составные части - компонентами (независимыми составными частями).

Так, например, число компонентов системы, состоящей из карбоната кальция, оксида кальция и диоксида углерода, в которой протекает реакция

СаСО₃ ↔ СаО + СО₂ (8-1)

равно двум (двухкомпонентная система). Действительно, для образования этой системы достаточно взять два любых вещества из трех составных частей. В общем случае число компонентов равно числу составных частей минус число протекающих в системе реакций.