10.1.2 Gibbsovo fázové pravidlo s vaznými podmínkami

Určete počet stupňů volnosti u dále specifikovaných systémů, které obsahují plynnou, kapalnou a tuhou (NH4Cl) fázi. Předpokládejte, že jednotlivé systémy vzniknou :
a) smícháním NH3, HCl, H2O v libovolném poměru,
b) smícháním H2O, NH3 a HCl při molárním poměru NH3 a HCl 1:1,
c) smícháním H2O a NH4Cl,
d) smícháním H2O a NH4Cl a systém bude udržován při teplotě 25 °C.

Výsledek

a) v = 2    b) v = 1    c) v = 1    d) v = 0   

Postup

Dosadíme do Gibsova fázového pravidla (10.1) a nezapomeňte odečíst vazné podmínky (zadané nebo vyplývající z chemické reakce).

Řešení

Podle Gibbsova fázového zákona je počet stupňů volnosti v dán vztahem

displaymath

kde k je počet složek v systému, f je počet fází a C počet vazných podmínek. Podle zadání jsou v systému tři fáze (f = 3).
a) V tomto případě platí k  = 4 (NH3, HCl, H2O, NH4Cl), C = 1 (chemická reakce NH3 + HCl = NH4Cl) a podle Gibbsova fázového pravidla získáme

displaymath

Soustava má tedy dva stupně volnosti, tj. můžeme např. změnit teplotu a tlak (čímž se změní složení plynné a kapalné fáze), nebo teplotu a složení plynné fáze (změní se složení kapalné fáze a tlak) ap. aniž se změní počet fází.
b) Platí f = 3,  k = 4. Protože však existuje ještě vazná podmínka mezi látkovým množstvím NH3 a HCl je C = 2 a dostaneme

displaymath

Má-li počet fází zůstat zachován, můžeme tedy pouze změnit např. teplotu (tlak a složení fází již nezávisle měnit nemůžeme).
c) Tuto variantu můžeme řešit jako případ b) nebo tak, že uvažujeme k = 2 (H2O a NH4Cl) bez vazné podmínky

displaymath

Počet stupňů volnosti je stejný jako v předcházejícím případě.
d) Proti předcházejícímu bodu přibývá jedna vazná podmínka a proto

displaymath

To znamená, že při 25 °C nemůžeme měnit tlak ani složení kapalné či parní fáze, aniž některá z fází nevymizela. Pokud bychom např. zvětšili tlak nad hodnotu pR, kde pR je rovnovážný tlak, parní fáze vymizí.