قاعدة الطور وتوازن الأطوار

قاعدة الطور وتوازن الأطوار

خلفية نظرية :

لو افترضنا وجود نظام معين – مثلا كمية معينة من الماء – عند ظروف معينة وثابتة ، فهل ثمة إمكانية لجعل الخواص الثرموديناميكية له قابلة للتغير والاختلاف ؟ يبدو للوهلة الأولى أنه لا توجد إمكانية لذلك . ولكن هل الانثالبي – أي المحتوى الحراري – مثلا لكمية معينة من الماء السائل عند درجة حرارة معينة وضغط معين هو نفسه المحتوى الحراري لنفس الكمية من بخار الماء عند نفس الدرجة والضغط ؟ الإجابة : لا. وهذا يعني أن الخواص الثيرموديناميكية للنظام لا تعتمد على كميته ودرجة حرارته وضغطه فقط ، بل وعلى حالته الفيزيائية أيضاً . ولذلك فإن نظاماً يتكون من الماء السائل وبخار الماء يكون ذا خواص ثيرموديناميكية مختلفة عن تلك لنظام مكون من الماء السائل فقط أو بخار الماء فقط . هذا من ناحية ومن ناحية أخرى فإنه لو كان النظام يتكون من مادتين كالماء والكحول مثلا فإن خواصه الثيرموديناميكية لا تعتمد على كمية كل من المادتين ودرجة الحرارة والضغط بل أيضاً على الحالة أو الحالات الفيزيائية الموجودة عليها كل من هاتين المادتين في النظام ، فقد تكون المادتين كلتاهما سائلاً أو كلتاهما صلبا ، وقد تكون أحدهما بحالة والأخرى بحالة أخرى ، وقد تكون إحداهما بحالتين والأخرى بحالة واحدة ، وقد تكون كلتاهما بحالتين . ولذلك فإن الخواص الثيرموديناميكية للنظام ستختلف حسب الحالة أو الحالات الفيزيائية للمادتين .

يدل ما سبق على أنه بالإضافة إلى كل من الضغط ودرجة الحرارة فإن عدد مكونات النظام وعدد أطواره تقوم هي الأخرى بتحديد الخواص الثيرموديناميكية للنظام. وفي الواقع فإن هذا الموضوع يعد موضوعا كبيرا وشائكا وهاما ، وغالباً ما يتم التعامل معه كموضوع قائم بذاته وتحت مسمى قاعدة الطور واتزان الأطوار . وعلى الرغم من ذلك فإن العالم جبس (Gibbs) تمكن من تلخيص العلاقات المتبادلة فيما بين مختلف المؤثرات (الضغط ودرجة الحرارة وعدد المكونات وعدد الأطوار) في قاعدة واحدة عرفت بقاعدة الطور (Phase Rule) توصل إليها نظرياً أخذا بالاعتبار أن التوازن بين الأطوال المختلفة لا يعتمد إلا على عاملي درجة الحرارة والضغط بالاضافة إلى عدد المواد المكونة للنظام ، أما المؤثرات الأخرى مثل قوى الجذب الأرضية أو الكهربائية أو المغناطيسية أو السطحية فلا تؤثر على ذلك . والقاعدة كما يلي :

F = C - P + 2

حيث يدل الرقم (2) على عاملي الضغط ودرجة الحرارة ، أما (P) و (C) فترمز لعدد الاطوار (phases) ولعدد المكونات (components) على التوالي أما (F) فهي عدد المتغيرات التي يلزم تحديدها وهي ما يسمى بعدد درجات الحرية أو الطلاقة (The number of degrees of freedon) . ويمكن فهم المعادلة السابقة بسهولة ويسر عبر أي مثال من الأمثلة ، فإذا كان النظام يتكون من مادة واحدة فقط فإنه إذا وجدت المادة بثلاثة أطوار فإن :

F = 1 – 3 + 2

F = 0

أي أن عدد درجات الطلاقة يساوي صفرا. ولكن إذا وجدت بطورين فإن :

F = 1 - 2 + 2

F = 1

أي أن عدد درجات الطلاقة يساوي واحدا . في حين إذا وجدت بطور واحد فإن :

F = 1 – 1 + 2

F = 2

فماذا يعني كل هذا ؟ في الحالة الأولى حيث لا توجد أي درجة طلاقة فإن الأمر يعني عدم وجود أي متغير يمكن تغييره مع بقاء عدد الأطوار كما هو ثلاثة ، وبالتالي فأي تغيير في أي من المتغيرات المتاحة لابد أن يقلل من عدد الأطوار الموجودة . أما في الحالة الثانية حيث توجد درجة طلاقة واحدة فإنه يكفي تثبيت واحدة فقط من المتغيرات المتاحة ليصبح النظام محدداً ومعروفاً ، وفي الحالة الأخيرة فإن تحديد النظام يتطلب تثبيت متغيرين .

(طبقي قاعدة الطورعلى نظام مكون من الماء مختلف في عدد الأطوار؟!)

وكمثال أخير لو كان النظام مكونا من ثلاثة مواد موجودة بطورين فإن :

F = 3 – 2 + 2

F = 3

إن تحديد النظام يتطلب تحديد ثلاثة من المتغيرات التالية :

1- درجة الحرارة .

2- الضغط .

3- تركيز المادة الأولى .

4- تركيز المادة الثانية .

5- تركيز المادة الثالثة .

يتضح من العرض السابق أن (قاعدة الطور واتزان الأطوار) يعتمد فيما يعتمد عليه على عدد مكونات النظام ولقد قسمت الأنظمة على أساس ذلك إلى عدة أقسام :

1- الأنظمة أحادية المكونات One component systems

2- الأنظمة ثنائية المكونات Two-component systems

3- الأنظمة ثلاثية المكونات Three-component systems

وكل نظام من هذه الأنظمة يمكن له أن يوجد إما بطور واحد أو بأكثر من طور واحد ، وفي كل الأحوال فإن (F) أي عدد المتغيرات التي يلزم تحديدها ومعرفتها من أجل معرفة وتحديد النظام يعطي بقاعدة الطور :

F = C – P + 2

أما إيضاح وعرض التوازن بين الأطوال المختلفة لأي من هذه الأنظمة فإنه عادة ما يتم بواسطة ما يسمى بمخطط الطور (Phase diagram) ومن الطبيعي أن طرق رسم مخططات الأطوار تختلف حسب نوع النظام .(كيف يتم رسم مخطط الطور لأنظمة أحادية وثنائية المكونات؟)

الهدف من التجربة:

وفي هذه التجربة سيتم التعرف على طريقة رسم مخطط الطور لنظام ثلاثي المكونات ، كما سيتم تطبيق قاعدة الطور على هذا النظام ستختار ثلاثة مواد أحدهما يمتزج مع أي من المادتين الأخريين امتزاجا تاما ، أما المادتان الأخريان فلاغ تمتزج أحدهما بالأخرى إلا امتزاجا محدوداً ، ولذلك فلو ثبت الضغط وكذلك درجة الحرارة عند قيم معينة فإنه يمكن الحصول على المواد الثلاثة مع بعضها البعض مرة مكونة لطور واحد ومرة أخرى مكونة لطورين ، وذلك حسب الكميات النسبية لها في النظام .

ويدرس توازن الأطوار لثلاثة مواد بواسطة مثلث متساوي الأضلاع كما في الشكل . حيث يتضح أن أي نقطة في هذا المثلث ستكون إما :

- أحد رؤوس المثلث .

أو – نقطة على أحد أضلاع المثلث .

أو – نقطة تقع داخليا بين أضلاع المثلث .

فإن كانت النقطة :

- هي أحد رءوس المثلث : فهي تعني أن النظام عبارة عن أحد المواد الثلاثة نقية أي بنسبة (100%) .

- واقعة على أحد أضلاع المثلث : فهي تعني أن النظام عبارة عن خليط للمادتين الممثلين للرأسين الواصل بينهما هذا الضلع ، وتعتمد نسبتاهما إلى بعضهما البعض على موقع النقطة حيث تزداد نسبة إحدى المادتين على الأخرى كلما كانت النقطة أقرب للرأس الممثل لها .

- واقعة داخلية بين أضلاع المثلث : فهي تعني أن النظام عبارة عن خليط للمواد الثلاثة وتعتمد نسبة كل مادة في الخليط على بعد النقطة عن الرأس الممثل للمادة ، ويحدد هذا البعد برسم خط يمر بالنقطة ويوازين الضلع المقابل للرأس ، ويكون بعد هذا الخط عن الرأس محددا لنسبة المادة .

- يتم في البداية رسم للمثلث المساوي الأضلاع ، ومن ثم يقسم كل ضلع إلى عشرة أقسام متساوية (لماذا؟) ، ويتم توصيل كل نقطتين متقابلتين بخط يوازي الضلع المقابل ، فيظهر المثلث على هيئة شبكة متراصة من مثلثات صغيرة متساوية الإضلاع ، وبعد ذلك يوضع رمز المادة الأولى عند أحد الرءوس ، والثانية والثالثة عند الرأسين الثاني فالثالث ، وترقم أقسام كل ضلع لكل مادة من المواد .

رسم مخطط الصنف لنظام ثلاثي المكونات :

كما في المذكرة وكما تم شرحه بالتفصيل

الفكرة العملية:

1- يتم تحضير خليط من كتلتين من مادتين من المواد الثلاث المكونة للمنظومة على أن تكون هاتين المادتين تامتي الامتزاج .

2- يتم إضافة المادة الثالثة إلى الخليط بشكل تدريجي إلى أن يبدأ تكون طورين ، وعندئذ تحسب الكتلة المضافة من المادة الثالث .

3- بمعرفة الكتلة الثلاثة يمكن حساب النسبة الوزنية لكل مادة x_A, x_B, x_c .

4- تعاد الخطوات 1 إلى 2 بالنسبة لخليط ثان وثالث …

5- يتم توقيع (تحديدها بيانياً) النقاط المختلفة والتي تمثل تركيز المواد الثلاث عند بداية تكون الطورين (بداية عدم التجانس) .

6- يتم توصيل النقاط المختلفة فنحصل على منحنى يمثل اتزان الطورين ويسمى Binodal curve.

7- جميع الخطوات السابقة تتم عند ضغط معلوم ودرجة حرارة معلومة وكلاهما ثابت أثناء التجربة .

تطبيق قاعدة الطور على نظام ثلاثي المكونات :

1- إذا تم تحضير خليط متمثل بالنقطة (أ) على مخطط الصنف يتضح من الشكل أن الخليط يتكون من طور واحد . وبحساب درجات الطلاقة

F = C – P + 2

F = 3 – 1 + 2

F = 4

وهما : P و T وتركيزين من التركيزات الثلاث X_A, X_B, X_c وبما أن T و P محددين سابقاً فتتحدد حالة الخليط عند تحديد قيمة (X_c = 1-X_A - X_B) X_A, X_B

2- إذا تم تحضير خليط متمثل بالنقطة (ب) يتضح من الشكل أن الخليط يتكون من طورين وتصبح درجات الطلاقة :

F = C – P + 2

= 3 – 2 + 2

= 3

وهما P و T وتركيز احد المكونات فقط . لان النقطة واقعة على المنحنى فيكفي تركيز واحد لتحديدها .

4- إذا تم تحضير خليط متمثل بالنقطة (جـ) ينفصل هذا الخليط إلى طورين في حالة اتزان مع بعضها البعض . لكل طور تركيز مختلف للمكونات الثلاث ويربط بين التركيزين خط يسمى بخط الربط . كل نقطة واضعة على المنحنى يقابلها نقطة اخرى في حالة اتزان معها إي أن يمر خط ربط بكل نقطة من نقاط المنحنى ويتم تحديد خطوط الربط بتجارب معملية لن نتطرق لها . (بناء على فهمك قومي برسم مخطط الطور وتحديد كل من النقاط أ-ب-ج عليه)

رابعاً : التجربة العملية :

1- كوني خمس مخاليط من الكلوروفورم وحمض الخليك بنسب حجمية مختلفة في خمس زجاجات مزودة بغطاء . والأحجام المختلفة مبينة في الجدول أدناه

2- بمعلومية كثافة الكلوروفورم وهي r_c=1.3g/cm³ وكثافة حمض الخليك وهي r_A=1.05g/cm³ يمكن حساب كتلة كل حجم من الأحجام المستخدمة للمكونين من العلاقة : m = r . v

3- يتم إضافة الماء بكميات صغيرة على كل زجاجة مع الرج .

4- استمري في إضافة الماء حتى يظهر التعكير عند الرج ويلاحظ أن تكون الإضافة النهائية للماء على هيئة نقطة نقطة .

5- عيني حجم الماء المضاف عند بداية التعكير (أي ظهور طورين) .

6- احسبي كتلة الماء المضافة علما بان كثافة الماء = 1g/cm³

الحسابات والنتائج:

x_w	x_c	x_A	إجمالي الكتلة (g)	كتلة الماء (g)	حجم الماء (cm³)	كتلة حمض الخليك (g)	كتلة الكلوروفورم (g)	حجم حمض الخليك (cm³)	حجم الكلوروفورم (cm³)
								18	2
								16	4
								14	6
								11	9
								7	13

7- احسبي الكتلة الكلية

m_A + m_c + m_w = m_t

8- احسبي الكسر الوزني لكل مكون في المخاليط الخمسة فبالنسبة لحمض الخليك (A)

كتلة حمض الخليك
الكتلة الكلية

= = x_A

وبالنسبة للكلوروفورم (C)

كتلة حمض الخليك
الكتلة الكلية

= = x_c

وبالنسبة للماء (w)

كتلة حمض الخليك
الكتلة الكلية

= = x_w

ويلاحظ أن x_A + x_c + x_w =1 لتوضيع أي نقطة على المخطط يكفي توضيع تركيزين من

اها حلو

يسلمو مع إني مو فاهم حاجة

مشكورة

قاعدة الطور وتوازن الأطوار 3998_11194182927

__..)/.._____________..)/..___
¯¯””/(””¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯””/(””¯
....¸.•°•.¸¸.•°•.¸¸.•°•.¸¸.•°•.¸....
||||
´(•_•)`
+----oOo------------------+

•°• كلااااااااااام رائع

يعطيك العاافية

لآ خـ’ـلآ ولآ عـ’ـدم وبانتظـ’ـآأإر جديدكـ وابدآأعكـ•°•
•°• •°•
تحياتي ليك
+-----------------oOo-----+
|| ||
|| ||
|| ||
ooO Ooo
مدير ومنشىء الملتقى احمد حمدان

مرسى

يسلموو خيتوو على المجهود

بانتظار جديدك الحلوو

منوره

زائر

آآآه
موضوعك كثير نايس
مفيد

منور يا دك

يعطيكي العافية حبيبتي

يسلمووو

يسلموووو ايديك حبيبتي شيري

Embarassed

يا عسل

تحياتي

يعطيكي العافية يا عمري

يسلمو ايديكي

» قاعدة if
» فلنائي: " غزة قاعدة للإرهاب"
» قاعـــدة بســكال و قاعدة أرشميدس
» قاعدة الـ10/90 ستغير لك حياتك‎