Ισορροπία Στερεού-Υγρού

Η διαλυτότητα των στερεών σε υγρά είναι κρίσιμη για το σχεδιασμό των κρυσταλλοποιητών και απαιτούνται αξιόπιστα δεδομένα για αυτό το θέμα. Η έκφραση που παράγεται χρησιμεύει ως βάση για τον υπολογισμό της διαλυτότητας ενός στερεού σε έναν διαλύτη καθώς και της πίεσης σημείου πήξης ενός διαλύτη, μεταξύ άλλων.

Φυσική Ισορροπία

Η φυσική ισορροπία ορίζεται ως η κατάσταση ισορροπίας που αναπτύσσεται μεταξύ δύο ή περισσότερων φάσεων ή φυσικών ιδιοτήτων της ίδιας ουσίας. Δεν υπάρχει καμία αλλαγή στη χημική σύνθεση του υλικού κατά τη διάρκεια αυτών των διεργασιών. Μια ουσία μπορεί να υπάρχει σε δύο διαφορετικές φυσικές καταστάσεις ταυτόχρονα, κάτι που αντιπροσωπεύεται από αυτό το σύμβολο.

Ισορροπία 

Η ισορροπία αναφέρεται στη συνοχή του περιεχομένου και της σύνθεσης (όπως μετράται με το χρώμα, την πίεση ή τη θερμοκρασία) ενός στοιχείου ενδιαφέροντος σε ένα σύστημα, ανεξάρτητα από τη χρονική περίοδο κατά την οποία παρατηρείται. Είναι δυνατό να επιτευχθεί ισορροπία σε ένα σύστημα έχοντας ρυθμό αντίδρασης ίσο ή μεγαλύτερο από τον ρυθμό της αντίστροφης αντίδρασης.

Η ισορροπία μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα βιβλίο σε ένα τραπέζι, ένα υγρό σε ένα κλειστό δοχείο, ένα κορεσμένο διάλυμα, ιοντικές ουσίες σε πολικούς διαλύτες και την παραγωγή αμμωνίας, για να αναφέρουμε μερικά παραδείγματα.

Μορφές φυσικής ισορροπίας

Ισορροπία σε πρώτη φάση:

Στους 0°C, ο αριθμός των μορίων νερού που μετατρέπονται σε πάγο ισούται με τον αριθμό των μορίων νερού που μετατρέπονται σε υγρό νερό όταν λιώνει ο πάγος. Ο ρυθμός με τον οποίο παγώνει το νερό είναι ακριβώς ο ίδιος με τον ρυθμό με τον οποίο λιώνει ο πάγος. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια κατάσταση ισορροπίας μεταξύ του στερεού πάγου και του ρέοντος νερού.

Νερό (l) ←→ Πάγος (α)

Σε ένα κλειστό δοχείο, ο αριθμός των μορίων ενός υγρού που συμπυκνώνονται σε ατμό θα είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων που συμπυκνώνονται ξανά σε υγρό. Σε ένα κλειστό σύστημα, ο ρυθμός εξάτμισης υγρού νερού είναι ίσος με τον ρυθμό συμπύκνωσης υδρατμών. Η υγρή φάση βρίσκεται σε ισορροπία με τη φάση ατμού από την οποία περιβάλλεται.

Μια διαλυμένη ουσία σε ένα κορεσμένο διάλυμα έρχεται σε επαφή με μια αδιάλυτη διαλυμένη ουσία και ο αριθμός των μορίων που βγαίνουν από το διάλυμα (απόθεση) ισούται με τον αριθμό των μορίων που εισέρχονται (διαλύονται) από το στερεό στο υγρό (Ισορροπία Διαλυμένης Διαλυμένης ουσίας). Ως αποτέλεσμα, η διαλυμένη ουσία σε ένα διάλυμα βρίσκεται σε ισορροπία με το στερεό που δεν έχει διαλυθεί.

Ισορροπία αερίου-υγρού

Η «Ισορροπία αερίου-υγρού» αναφέρεται στην κατάσταση κατά την οποία τα αέρια δεν αντιδρούν με υγρά, αλλά μπορεί να διαλυθούν σε συνάρτηση με την πίεση στο υγρό. Σε ένα κλειστό δοχείο, υπάρχει μια κατάσταση ισορροπίας μεταξύ του αερίου που περιέχεται στο υγρό και του αερίου που υπάρχει πάνω και γύρω από το δοχείο. Στα αναψυκτικά, για παράδειγμα, το αέριο διοξείδιο του άνθρακα που περιέχεται στο υγρό βρίσκεται σε ισορροπία με το αέριο που περιέχεται στον κενό χώρο του δοχείου.

Παραδείγματα φυσικής ισορροπίας

Παραδείγματα ισορροπιών στερεού-υγρού περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

Εξετάστε το ακόλουθο σενάριο:πάγος και νερό σε μια τέλεια μονωμένη φιάλη θερμός στους 00 C σε ανοιχτό περιβάλλον. Τα επίπεδα του νερού και οι ποσότητες πάγου δεν θα αλλάξουν, πράγμα που σημαίνει ότι ο ρυθμός μεταφοράς μορίων από νερό σε πάγο είναι ο ίδιος με τον ρυθμό μεταφοράς μορίων από πάγο σε νερό. Εξαιτίας αυτού, μπορούμε να πούμε ότι το σύστημα βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση. Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναπαραστήσει αυτήν την κατάσταση:

H2O (s) ←→ H2O (l)

Ο ρυθμός τήξης είναι ίσος με τον ρυθμό κατάψυξης.

Παραδείγματα Ισορροπίας Υγρού-Αερίου 

Πάρτε απεσταγμένο νερό και τοποθετήστε το σε ένα κλειστό δοχείο. Μόλις ζεσταθεί το νερό, μετατρέπεται σε ατμό. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, θα παρατηρήσουμε ότι η στάθμη του νερού παραμένει σταθερή, υποδεικνύοντας ότι δεν υπάρχει πλέον καμία μετατροπή του νερού σε ατμό και αντίστροφα.

Σε τεχνικούς όρους, μπορούμε να πούμε ότι ο ρυθμός εξάτμισης (από υγρό σε ατμό) ισούται με το ρυθμό συμπύκνωσης (από ατμό σε υγρό), με αποτέλεσμα την επίτευξη μιας σταθερής κατάστασης.

Παραδείγματα ισορροπιών στερεών ατμών:

Αυτός ο τύπος ισορροπίας μπορεί να υπάρχει μόνο στην περίπτωση των εξαχνωμάτων και είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος ισορροπίας (το στερεό μετατρέπεται απευθείας σε ατμό). Εξετάστε το ακόλουθο σενάριο:το στερεό ιώδιο θερμαίνεται σε ένα κλειστό δοχείο και το δοχείο γεμίζει αργά με βιολετί ατμό, με την ένταση του χρώματος να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου.

Μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, η ένταση του χρώματος δεν αλλάζει με το πέρασμα του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι έχει επιτευχθεί μια σταθερή κατάσταση στην οποία ο ρυθμός εξάχνωσης του στερεού ιωδίου είναι ίσος με τον ρυθμό εναπόθεσης ατμών ιωδίου.

I2 (s) → I2 (s) (ατμός)

Ο ρυθμός εξάχνωσης ισούται με τον ρυθμό εναπόθεσης (ή το αντίστροφο).

Συμπέρασμα

Επομένως, μπορούμε τελικά να συμπεράνουμε ότι η έκφραση που παράγεται χρησιμεύει ως βάση για τον υπολογισμό της διαλυτότητας ενός στερεού σε έναν διαλύτη καθώς και της πίεσης σημείου πήξης ενός διαλύτη, μεταξύ άλλων. Συζητούνται επίσης συστήματα που παρουσιάζουν ευτηκτική συμπεριφορά και είναι ικανά να σχηματίζουν στερεά διαλύματα. Προκειμένου να ληφθούν δεδομένα ισορροπίας στερεού-υγρού, είναι απαραίτητο να ψύχεται ένα υγρό μείγμα γνωστής σύστασης ενώ καταγράφεται συνεχώς η θερμοκρασία σε συνάρτηση με το χρόνο.