 |
Тема: Термодинамика фазовых равновесий. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния однокомпонентных и бинарных систем лекарственных веществ (ЛВ)
|
|
|
|
Южно- Казахстанская государственная фармацевтическая академия
Кафедра фармакогнозии и химии
Специальность: 5В110300- «Фармация»
Дисциплина: Физическая и коллоидная химия
Курс: 2
Лекционный комплекс
Учебный год
Кредит
Лекция № 1
Тема: Предмет физической химии. Основные разделы. Первый закон термодинамики. Второе начало термодинамики
2.Цель: Физическая и коллоидная химия является одной из основных дисциплин в области фармацевтического образования, имеющая значительную роль в подготовке высококвалифицированных специалистов-фармацевтов.
Данный предмет формирует химическое мышление, определяет закономерности протекания физико-химических процессов и условия достижения химического равновесия, учит анализировать и делать выводы о влиянии внешних факторов, природы веществ на ход химических реакции.
3. Тезисы лекции:
Термодинамика исследует:
1) превращение различных форм энергии друг в друга, в том числе превращенение химической энергии в другие формы энергии,т.е. химическую термодинамику;
2) энергетические эффекты различных физико-химических процессов, их взаимосвязь с внешними факторами;
3) направление, возможность, предел протекания самопроизврольно идущих процессов.
Задача предмета химической термодинамики – применение основных законов термодинамики и термодинамических методов исследования для изучения химических физико-химических явлений.
Системой называют любую избранную совокупность веществ отделенную от внешней среды определенной поверхностью раздела.
Если для системы полностью исключен обмен с внешней средой, веществом и энергией, ее называют изолированной.
Если же система может обмениваться с окружающей средой только энергией, ее называют закрытой. Следует подчеркнуть, что реальные системы могут лишь приближаться к этим понятиям, но никогда полностью с ними не совпадают.
|
|
|
Фазой называют совокупность всех однородных по составу и физико-химическим свойствам частей системы, отделенных четкой и определенной поверхностью раздела, т.е. имеется возоможность изоляции данной фазы от остальной части системы.
Функции состояния
Под внутренней энергией системы U подразумевают ее общий запас, обусловленный всеми видами движений и взаимодействий составляющих ее молекул, атомов, ионов и элементарных частиц. В эту энергию включается энергия поступательного, колебательного и вращательного движений молекул, атомов, ионов, электронов, протонов, нейтронов и т.д.;
Сумму внутренней энергии системы и произведения объема на давление в термодинамике называют энтальпией Н:
H=U+pV
Энтальпия – термодинамическая функция, которая, подобно температуре, давлению, объему и внутренней энергии, характеризует одно из свойств системы. Абсолютное значение энтальпии для рассматриваемой системы определить невозможно, и в термодинамических расчетах фигурируют лишь изменения энтальпии ∆Н, происходящее при переходе системы из одного состояния в другое.
1 закон термодинамики:
Основан на законе сохранения энергии:
1. Если в каком-нибудь процессе исчезает какой-то вид энергии, то вместо него появляется другой вид энергии в строго эквивалентном количестве.
2. Различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентном количестве.
3. В изолированной системе запас энергии системы постоянно.
В математическом виде 1-закон термодинамики пишется в таком виде:
Q = ∆U + A
Термохимия – один из основных разделов термодинамики. Она исследует тепловые эффекты химических реакций, теплоемкости систем и величины, связанные с ними.
|
|
|
Термохимические уравнения – уравнения химических реакции, где указаны их тепловые эффекты, например:
А+В = С+Д + 20кДж
Тепловой эффект химической реакций – количество выделенной или поглощенной теплоты в ходе реакции. В термодинамике за эту величину принимает изменение энтальпии системы (∆Н, кДж/моль).
Второй закон термодинамики, согласно которому всякий самопроизвольный процесс в изолированной системе идет с возрастанием энтропии. Таким образом, если в результате процесса ΔS>0, процесс термодинамически возможен; если же ΔS<0, то его самопроизвольное протекание исключается.
Было целесообразно ввести такую функцию состояния, которая учитывает совместное влияние обоих факторов. Такая функция представляет собой разность ΔG=ΔH-TΔS.
Эта функция состояния называется свободной энергией Гиббса и является мерой устойчивости системы при постоянном давлении.
4. Иллюстративный материал:
Представлен в виде презентации в мультимедиа.
5. Литература:
Основная:
1. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия, М., ВШ, 1990г. стр 3-60
Равич - Шербо М.И., Новиков В.В., Физическая и коллоидная химия, М., 2001г. стр 6-20.
2. Кюрре Д.Г., Крылова Л.В., Музыкантов B.C. Физическая химия, М., ВШ, 1990г. стр 186-220.
Дополнительная:
3. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия, М., ВШ, 1988г. стр 60-130.
6. Контрольные вопросы:
1. Физическая и коллоидная химия - как теоретическая основа фармацевтических дисциплин.
2. Предмет и задачи физколлоидной химии.
3. Химическая термодинамика - теоретическая основа изучения обмена веществ и энергии.
4. Понятие об энтальпии.
5. Закон Гесса.
6. Изменение энтальпии при различных химических и физико- химических процессах.
7. Второй закон термодинамики. Энтропия. Свободная энергия Гиббса.
Лекция № 2
Тема: Термодинамика фазовых равновесий. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния однокомпонентных и бинарных систем лекарственных веществ (ЛВ)
2. Цель: Вещества, входящие в термодинамическую систему, могут находиться в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом и образовывать одну или несколько фаз. Систему, состоящую из нескольких фаз, называют гетерогенной, а равновесие, устанавливающееся в такой системе, гетерогенным или фазовым. По температуре кристаллизации вещества или смеси можно судить о чистоте данного вещества, об образовании химического соединения или твердых растворов. Поэтому при анализе лекарственных препаратов по температуре кристаллизации вещества судят о его чистоте.
|
|
|
3.Тезисы лекции:
Вещества, входящие в термодинамическую систему находятся в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом состояниях,т.е. они образуют одну или несколько фаз. Систему, состоящую из нескольких фаз называют гетерогенным, а равновесие, устаналивающаяся в такой системе называют фазовым. В таком фазовом равновесии между компонентами системы не должны происходить химические взаимодействия.
Условия фазового равновесия:
Фазовые равновесия в гетерогенных системах характеризуются определенными условиями; химический потенциал каждого компонента во всех фазах, их температура и давление во всех фазах должны быть одинаковыми, они соответственно называются химическими, температурными и механическими условиями фазвого равновесия.
Число компонентов:
Число независимых компонентов (Кт) равно числу химически индивидуальных веществ минус число независимых химических реакций.
Кт = К- х
Например, в водном растворе системы КСl-NaNO3-NaCl-KNO3-H2O в равновесии находятся пять отдельных химических веществ, четверо из них связаны одной реакцией.
HCl + NaNO3 ↔ NaCl + KNO3
Число независимых компонентов 5-1=4. В зависимости от числа компонентов системы днлятся на однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные и т.д..
Число степеней свободы:
Число степеней свободы(с)- это число термодинамических параметров, определяющих состояние системы, которые можно произвольно менять (независимо один от другого) без изменения числа фаз в системе.
К таким параметрам относятся внешние факторы (температура, давление) и внутренние факторы (концентрация компонента).
|
|
|
Правило фаз Гиббса:
При изменении внешних параметров (р, Т) равновесие в системе нарушается; при этом изменяются концентрации компонентов или исчезают старые и появляются новые фазы. Изменения в системе происходят до установления нового равновесия. Расчет числа стпеней свободы в системе в зависимости от числа компонентов и от изменения внешних параметров производят с помощью правила фаз Гиббса (1876г.).
С = К - ф + 2
Диаграмма однокомпонентных систем (вода):
Для однокомпонентных систем правила фаз пишется в следующем виде:
С = 1-ф+2 = 3- ф
Если Сmin=0, тогда ф=3. В однокомпонентной системе, находящейся в равновесии встерчаются три фазы (т, ж, г). Если ф=min, число стпенеей свободы Cmax=1-1+2=2, т.е. независимы две переменные величины, это давление (р) и температура (Т) или р-f(состав), Т-(состав).
Двухкомпонентные системы:
Применение правила фаз Гиббса: Если система состоит из 2 компонентов, тогда на равновесие из внешних факторов влияют температура и давление, а правило фаз Гиббса следующим образом:
С = 2 – ф + 2 = 4 - ф
Если Сmin=0, число фаз ф=4. Т.е. в двухкомпонентных системах число фаз не больше четырех (ж, пар, тв1, тв2). При фmin=1 максимальное число стпенеей свободы Сmax=3 (давление, температура, концентарция одного из компонентов х1).
4.Иллюстративный материал:
Представлен в виде презентации в мультимедиа.
5. Литература:
Основная:
1. Евстратова К.П., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия, М., ВШ, 1990г. стр
2. Ершов Ю.А., Попков В.А. «Оьщая химия. Биофизическая химия. Химия
биогенных элементов», М., ВШ, 2000г. стр
3.Кюрре Д.Г., Крылова Л.В., Музыкантов B.C. Физическая химия, М., ВШ, 1990г. стр 236-240.
Дополнительная:
5.Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия, М., ВШ, 1988г. стр 153-182.'
6. Контрольные вопросы:
1. Что такое коэффициент распределения?
2. Что утверждает закон распределения?
3. Что называют фазой? Компонентом? Степенью свободы?
4. Какие условия фазовых равновесии?
5. Какой вид принимает правило фаз Гиббса для однокомпонентных систем?
6. Какие типы неограниченно растворимых и ограниченно растворимых жидкостей вы знаете?
7. Какими свойствами обладают азеотропные смеси?
8. Что такое жидкая и твердая эвтектика?
Лекция № 3
|
|
|
