قانون فاز و دیاگرام

یکی از مباحث پایانی شیمی فیریک مبحث فاز و دیاگرام است نمودار فاز و دیاگرام یک جزیی اب به شکل زیر است:

در قانون فاز و دیاگرام داریم: V+P=C+2

V  درجه ازادی سیستم در حال تعادل

P  تعداد فازها

C  سازنهای شیمیایی

_{این مبحث و شکل یکی از سوالات امتحانی خواهد بود}

 

روابط مهم ترمو دینامیکی

توابع انرژی ازاد شامل دو تابع : هلمهولتز  F=U-TS  و گیبس  G=H-TS می باشد

روابط مهم ترمو دینامیکی :

du=Tds-pdv      U{S,V

dh=Tds+vdp     H{S,P

dF=-pdv-sdt     F{V,T

dg=vdp-sdt       G{P,T

_{اثبات یکی از این روابط یکی از سوالات امتحانی خواهد بود}

قوانین ترمودینامیک

برای وصف پدیده های ترمودینامیکی باید درک مشخصی از زمان و مکان داشت:

حالت سیستم و زمان : 1.وابسته به زمان(حالت زودگذر)  2.مستقل از زمان:2.1.دینامیک(در حال پایانی یکنواخت) 2.2.استاتیک(در حال تعادل)

مسیر حالات متوالی که یک سیستم را طی می کند فرایند یا تحول نام دارد و با توجه به خصوصیتی که در طول تحول ثابت می ماند نامگذاری میشود: 1.فرایند همدما 2.فرایند هم فشار 3.فرایند هم حجم

قوانین و اصول ترمودینامیک :

 قانون صفرم ترمودینامیک: اگر دو جسم a و b در حال تعادل با c باشند انگاه خودa و b در حال تعادلند

قانون اول ترمودینامیک:انرژی شکلهای متفاوتی به خود می گیرد ولی مقدار ان همیشه ثابت است

درکاربرد قانون اول با انرژی داخلی و انتالپی اشنا میشویم

du=dQ-dw

H=U+PV

(ΔQ)_V=(ΔU)  و  (ΔQ)_P=(ΔH)  

برای محاسبه انتالپی استاندارد یک واکنش:

ΔH)²⁹⁸₀  = (∑ΔH₂)²⁹⁸₀  -  (∑ΔH₁)²⁹⁸₀

قانون دوم ترمودینامیک:همان انتروپی است یعنی درجه بی نظمی سیستم نسبت به یک حالت کاملا منظم اتم ها

 ds=dQ/T 

ΔQ-TΔS=0تعادلی یا برگشت پذیر

ΔQ-TΔS<0 برگشت ناپذیر خود به خودی

ΔQ-TΔS>0 برگشت ناپذیر غیر خود به خودی

سیستم

سیستم های ترمودینامیکی بر اساس عبور انرژی E و ماده M از مرزهای مشخص سیستم به 3 دسته تقسیم میشوند:

مجزا یا منفرد E=0 ∆M=0∆

بسته E≠0 ∆M=0∆

بازE≠0 ∆M≠0∆

خواص سیستم یا شدتی است یا مقداری:خواص مقداری به بزرگی سیستم بستگی دارند و جمع پذیرند اما خواص شدتی به بزرگی سیستم بستگی ندارند و جمع پذیرنیستند

انرژی یک سیستم به سه حالت جنبشی و پتانسیل و داخلی است که توسط کار یا گرما از یک سیستم یه سیستم دیگر منتقل می شوند

علم شیمی فیزیک

شیمی فیزیک از دروسی است که توسط  دکتر ناظری تدریس می شود در جلسات ابتدایی با این موارد اشنا می شوید:

موضوع علم شیمی فیزیک تحقیق درمورد پدیده هایی است که در ان ماده و انرژی تغییر می کند.

زیر مجموعه های شیمی فیزیک عبارتند از : ترمودینامیک / سینیتیک شیمیایی / مکانیک کوانتومی

ترمودینامیک علم مطالعه انرژی است و به دو دسته اماری و کلاسیک تقسیم می شود

سینتیک سرعت و چگونگی بوجود امدن یک تعادل شیمیایی را بررسی می کند

مکانیک کوانتومی ره یافت ریاضی مطالعه ساختار و خواص ماده را بررسی می کند

شیمی فیزیک

شیمی فیزیک (Physical chemistry) بخشی از علم شیمی است که در آن ، از اصول و قوانین فیزیکی ، برای حل مسائل شیمیایی استفاده می‌شود. به عبارت دیگر ، هدف از شیمی فیزیک ، فراگیری اصول نظری فیزیک در توجیه پدیده‌های شیمیایی است. برای آشنایی بیشتر با علم شیمی فیزیک ، باید با زیر مجموعه‌های این علم آشنا شویم و اهداف این علم را در دل این زیر مجموعه‌ها بیابیم.

ترمودینامیک شیمیایی  

ترمودینامیک شیمیایی در عمل ، برقراری چهارچوبی برای تعیین امکان پذیربودن یا خود به خود انجام شدن تحولی فیزیکی یا شیمیایی معین است. به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معیاری جهت تعیین امکان پذیر بودن تغییری از یک فاز به فاز دیگر بطور خود به خود مانند تبدیل گرافیت به الماس یا با تعیین سمت و سوی خود به خود انجام شدن واکنشی زیستی که در سلول اتفاق می‌افتد، نظر داشته باشیم.

در حلاجی این نوع مسائل ، چند مفهوم نظری و چند تابع ریاضی دیگر بر مبنای قوانین اول و دوم ترمودینامیک و برحسب توابع انرژی گیبس ابداع شده‌اند که شیوه‌های توانمندی برای دستیابی به پاسخ آن مسائل ، در اختیار قرار داده‌اند.

تعادل

پس از تعیین شدن سمت و سوی تحولی طبیعی ، ممکن است علم بر میزبان پیشرفت آن تا رسیدن به تعادل نیز مورد توجه باشد. به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولی صنعتی یا قابلیت انحلال دی‌اکسید کربن موجود در هوا ، در آبهای طبیعی یا تعیین غلظت تعادلی گروهی از متابولیتها ( Metabolites ) در یک سلول مورد نظر باشد. روشهای ترمودینامیکی ، روابط ریاضی لازم برای محاسبه و تخمین چنین کمیت‌هایی را بدست می‌دهد.

گرچه هدف اصلی در ترمودینامیک شیمیایی ، تجزیه و تحلیل در بررسی امکان خود به خود انجام شدن یک تحول و تعادل می‌باشد، ولی علاوه بر آن ، روشهای ترمودینامیکی به بسیاری از مسائل دیگر نیز قابل تعمیم هستند. مطالعه تعادلهای فاز ، چه در سیستم‌های ایده آل و چه در غیر آن ، پایه و اساس کار برای کاربرد هوشمندانه روشهای استخراج ، تقطیر و تبلور به عملیات متالوژی و درک گونه‌های کانی‌ها در سیستم‌های زمین‌ شناسی می‌باشد.

تغییرات انرژی

همین طور ، تغییرات انرژی ، همراه با تحولی فیزیکی یا شیمیایی ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدی قرار دارند؛ این تحول ممکن است احتراق یک سوخت ، شکافت هسته اورانیوم یا انتقال یک متابولیت در بستر گرادیان غلظت باشد.

مفاهیم و روشهای ترمودینامیکی ، نگرشی قوی برای درک چنان مسائلی را فراهم می آورد که در شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

الکتروشیمی

تمام واکنش‌های شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند؛ زیرا الکترونها ، در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارد. اما الکتروشیمی ، بیش ار هر چیز بررسی پدیده های اکسایش- کاهش (Oxidation - Reduction) است. روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.

از واکنش‌های شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد، (در سلولهایی که "سلولها یا پیلهای ولتایی" یا "سلولهای گالوانی" نامیده می‌شوند) و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی). علاوه بر این، مطالعه فرایندهای الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آن گونی از پدیده های اکسایش- کاهش که خارج از این گونه سلولها یا پیلها روی می دهد نیز می‌شود.

سینتیک شیمیایی (Chemical Kinetic)

سینتیک شیمیایی عبارت از بررسی سرعت واکنش‌های شیمیایی است. سرعت یک واکنش شیمیایی را عوامل معدودی کنترل می‌کنند. بررسی این عوامل ، راههایی را نشان می‌دهد که در طی آنها ، مواد واکنش‌دهنده به محصول واکنش تبدیل می‌شوند. توضیح تفضیلی مسیر انجام واکنش بر مبنای رفتار اتم‌ها ، مولکول‌ها و یون‌ها را "مکانیسم واکنش" می‌نامیم.

در ترمودینامیک و الکتروشیمی ، کارها پیش‌بینی انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتی ، نتایج ترمودینامیک شیمیایی را به نظر تایید نمی‌کند. در این حالت نبایستی فکر کنیم که پیش بینی ترمودینامیک اشتباه بوده است؛ چون ترمودینامیک کاری با میزان پیشرفت واکنش و نحوه انجام فرایندها ندارد. نظر به اهمیت انجام فرایندها از نظر بهره زمانی ، لازم است که عامل زمان در بررسی فرایندها وارد شود.

به عنوان مثال ، کاتالیزورهای بخصوصی به نام "آنزیم‌ها" در تعیین این که کدام واکنش در سیستمهای زیستی با سرعت قابل ملاحظه به راه بیافتد، عواملی مهم هستند. مثلا مولکول "تری فسفات آدنوزین" (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترمودینامیکی در محلولهای آبی ناپایدار بوده و باید هیدرولیز گردیده و به "دی فسفات آدنوزین" و یک فسفات معدنی تجزیه شود. در صورتی که این واکنش در غیاب آنزیمی ویژه ، "آدنوزین تری فسفاتاز" ، بسیار کند می‌باشد.

در واقع همین کنترل ترمودینامیکی سمت و سوی واکنش‌ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزیمهاست که موجودیت سیستمی با تعادل بسیار ظریف ، یعنی سلول زنده را مقدور می‌سازد. بیشتر واکنش‌های شیمیایی طی مکانیسمهای چند مرحله‌ای صورت می‌گیرند. هرگز نمی‌توان اطمینان داشت که یک مکانیسم پیشنهاد شده ، بیانگر واقعیت باشد. مکانیسم واکنشها تنها حدس و گمانهایی بر اساس بررسیهای سینتیکی‌اند.