Faza (modda)

Fizik fanlarda faza — bu kimyoviy jihatdan bir xil, fizik jihatdan ajralib turadigan va (ko'pincha) mexanik usulda ajratilishi mumkin bo'lgan modda qismidir. Shisha idishdagi muz va suvdan iborat tizimda muz bo'laklari bir fazani, suv ikkinchi fazani, muz va suv ustidagi nam havo esa uchinchi fazani tashkil qiladi. Idishning shishasi boshqa material bo'lib, o'ziga xos alohida fazada bo'ladi. (Qarang: Moddaning agregat holati § Shisha.)

Aniqrog'i, faza — bu fazoning (termodinamik tizimning) bir qismi bo'lib, unda moddaning barcha fizik xususiyatlari mohiyatan bir xildir.^[1]^[2]^[3] Fizik xususiyatlarga misol sifatida zichlik, sindirish ko'rsatkichi, magnitlanish va kimyoviy tarkibni keltirish mumkin.

Faza atamasi ba'zan moddaning agregat holati (state of matter) tushunchasiga sinonim sifatida ishlatiladi, ammo bitta agregat holatda bir nechta aralashmaydigan fazalar bo'lishi mumkin (masalan, moy va suv suyuq holatda bo'lsa-da, alohida fazalarga ajraladi).

Fazalar turlari

Turli fazalar moddaning agregat holatlari, masalan, gaz, suyuqlik, qattiq holat, plazma yoki Boze-Eynshteyn kondensati (Bose–Einstein condensate) sifatida tavsiflanishi mumkin. Qattiq va suyuq holatlar orasidagi foydali mezofazalar moddaning boshqa holatlarini hosil qiladi.

Berilgan agregat holat ichida ham turli fazalar mavjud bo'lishi mumkin. Temir qotishmalari diagrammasida ko'rsatilganidek, qattiq va suyuq holatlar uchun bir nechta fazalar mavjud. Fazalar, shuningdek, eruvchanlik asosida qutbli (gidrofil) yoki qutbsiz (gidrofob) turlarga ajratilishi mumkin. Suv (qutbli suyuqlik) va moy (qutbsiz suyuqlik) aralashmasi o'z-o'zidan ikki fazaga ajraladi. Suv moyda juda past eruvchanlikka (erimaydigan) ega, moy esa suvda past eruvchanlikka ega. Eruvchanlik — bu eruvchi modda erishdan to'xtab, alohida fazada qolishidan oldin erituvchida erishi mumkin bo'lgan maksimal miqdordir. Aralashma ikkidan ortiq suyuq fazaga ajralishi mumkin va fazalarni ajratish tushunchasi qattiq jismlarga ham tegishlidir, ya'ni qattiq jismlar qattiq eritmalar hosil qilishi yoki turli xil kristall fazalarga aylanishi mumkin. O'zaro eruvchan metall juftliklari qotishmalar hosil qilishi mumkin, o'zaro erimaydigan metall juftliklari esa buni amalga oshirolmaydi.

Sakkiztagacha aralashmaydigan suyuq faza kuzatilgan.^[a] O'zaro aralashmaydigan suyuq fazalar suv (suvli faza), gidrofob organik erituvchilar, perftoruglerodlar (ftorli faza), silikonlar, bir nechta turli metallar va shuningdek, erigan fosfordan hosil bo'ladi. Barcha organik erituvchilar ham to'liq aralashuvchan emas, masalan, etilen glikol va toluol aralashmasi ikki xil organik fazaga ajralishi mumkin.^[b]

Fazalar makroskopik miqyosda o'z-o'zidan ajralishi shart emas. Emulsiyalar va kolloidlar jismoniy jihatdan ajralmaydigan, aralashmaydigan faza juftliklariga misoldir.

Faza muvozanati

Muvozanat holatiga keltirilganda, ko'plab tarkiblar yagona bir xil faza hosil qiladi, ammo harorat va bosimga qarab, hatto bitta modda ham ikki yoki undan ortiq alohida fazalarga ajralishi mumkin. Har bir faza ichida xususiyatlar bir xil bo'ladi, ammo ikki faza o'rtasida xususiyatlar farqlanadi.

Yopiq idishdagi suv va uning ustidagi havo bo'shlig'i ikki fazali tizimni tashkil qiladi. Suvning katta qismi suyuq fazada bo'lib, u yerda suv molekulalarining o'zaro tortishishi bilan ushlab turiladi. Hatto muvozanat holatida ham molekulalar doimiy harakatda bo'ladi va vaqti-vaqti bilan suyuq fazadagi molekula suyuqlikdan ajralib chiqib, gaz fazasiga o'tish uchun yetarli kinetik energiyaga ega bo'ladi. Shuningdek, vaqti-vaqti bilan bug' molekulasi suyuqlik yuzasiga urilib, suyuqlikka kondensatsiyalanadi. Muvozanat holatida bug'lanish va kondensatsiya jarayonlari bir-birini aniq muvozanatlaydi va har ikki fazaning hajmida aniq o'zgarish bo'lmaydi.

Xona harorati va bosimida, suv ustidagi havoning namligi taxminan 3% ga yetganda suv idishi muvozanatga erishadi. Bu foiz harorat ko'tarilishi bilan ortadi. 100 °C va atmosfera bosimida havo 100% suvdan iborat bo'lmaguncha muvozanatga erishilmaydi. Agar suyuqlik 100 °C dan biroz yuqoriroq qizdirilsa, suyuqlikdan gazga o'tish nafaqat sirtda, balki butun suyuqlik hajmi bo'ylab sodir bo'ladi: suv qaynaydi.

Fazalar soni

Yana qarang: Ko'p fazali suyuqlik

Bir komponentli material uchun tipik faza diagrammasi bo'lib, unda qattiq, suyuq va gaz fazalari ko'rsatilgan. Yashil chiziq suyuq-qattiq faza chizig'ining odatiy shaklini ifodalaydi. Nuqtali yashil chiziq bosim oshganda suvning anomal harakatini ko'rsatadi. Uchlanma nuqta va kritik nuqta qizil nuqtalar bilan belgilangan.

Muayyan tarkib uchun ma'lum bir harorat va bosimda faqat ma'lum fazalar bo'lishi mumkin. Hosil bo'ladigan fazalar soni va turini oldindan aytish qiyin va odatda tajriba orqali aniqlanadi. Bunday tajribalar natijalari faza diagrammasida tasvirlanishi mumkin.

Bu yerda keltirilgan faza diagrammasi bir komponentli tizim uchundir. Ushbu oddiy tizimda mumkin bo'lgan fazalar faqat bosim va haroratga bog'liq. Belgilar ikki yoki undan ortiq fazalar muvozanatda birga mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan nuqtalarni ko'rsatadi. Belgilardan uzoqroq harorat va bosimlarda muvozanatda faqat bitta faza bo'ladi.

Diagrammada suyuqlik va gaz o'rtasidagi chegarani belgilovchi ko'k chiziq cheksiz davom etmaydi, balki kritik nuqta deb ataladigan nuqtada tugaydi. Harorat va bosim kritik nuqtaga yaqinlashgani sari suyuqlik va gazning xususiyatlari tobora o'xshash bo'lib boradi. Kritik nuqtada suyuqlik va gazni bir-biridan ajratib bo'lmaydi. Kritik nuqtadan yuqorida endi alohida suyuq va gaz fazalari mavjud bo'lmaydi: faqat o'ta kritik suyuqlik (supercritical fluid) deb ataladigan umumiy suyuqlik fazasi mavjud bo'ladi. Suvda kritik nuqta taxminan 647 K (374 °C yoki 705 °F) va 22.064 MPa da sodir bo'ladi.

Suv faza diagrammasining g'ayrioddiy xususiyati shundaki, qattiq-suyuq faza chizig'i (nuqtali yashil chiziq bilan ko'rsatilgan) manfiy qiyalikka ega. Aksariyat moddalar uchun to'q yashil chiziq bilan tasvirlanganidek, qiyalik musbat bo'ladi. Suvning ushbu g'ayrioddiy xususiyati muzning suyuq suvga qaraganda pastroq zichlikka ega ekanligi bilan bog'liq. Bosimni oshirish suvni yuqoriroq zichlikdagi fazaga o'tkazadi, bu esa erishga olib keladi.

Faza diagrammasining yana bir qiziqarli, ammo noodatiy bo'lmagan xususiyati — bu qattiq-suyuq faza chizig'i suyuq-gaz faza chizig'i bilan uchrashadigan nuqtadir. Kesishma uchlanma nuqta deb ataladi. Uchlanma nuqtada barcha uch faza birga mavjud bo'lishi mumkin.

Tajribada, bir nechta fazalar hosil bo'lganda rivojlanadigan harorat va bosimning o'zaro bog'liqligi tufayli faza chiziqlarini xaritalash nisbatan oson. Gibbsning faza qoidasi shuni ko'rsatadiki, turli fazalar ushbu o'zgaruvchilar orqali to'liq aniqlanadi. Piston bilan jihozlangan yopiq va yaxshi izolyatsiyalangan silindrdan iborat sinov qurilmasini ko'rib chiqing. Harorat va bosimni nazorat qilish orqali tizimni faza diagrammasidagi har qanday nuqtaga keltirish mumkin. Qattiq barqarorlik hududidagi (diagrammaning chap tomoni) nuqtadan tizim haroratini oshirish uni suyuqlik yoki gaz muvozanat fazasi bo'lgan hududga olib keladi (bosimga qarab). Agar piston sekin pastga tushirilsa, tizim faza diagrammasining gaz hududida ortib borayotgan harorat va bosim egri chizig'ini chizadi. Gaz suyuqlikka kondensatsiyalana boshlagan nuqtada, harorat va bosim egri chizig'ining yo'nalishi keskin o'zgarib, barcha suv kondensatsiyalanmaguncha faza chizig'i bo'ylab harakatlanadi.

Fazalararo hodisalar

Andoza:Further Muvozanatdagi ikki faza o'rtasida hech qaysi fazaning xususiyatlariga ega bo'lmagan tor hudud mavjud. Garchi bu hudud juda yupqa bo'lsa-da, u muhim va oson kuzatiladigan ta'sirlarga ega bo'lishi mumkin, masalan, suyuqlikda sirt tarangligini keltirib chiqaradi. Aralashmalarda ba'zi komponentlar faza chegarasi (interfeys) tomon harakatlanishni afzal ko'rishi mumkin. Muayyan tizimning harakatini modellashtirish, tavsiflash yoki tushunish nuqtai nazaridan, fazalararo hududni alohida faza sifatida qarash samarali bo'lishi mumkin.

Kristall fazalar

Bitta material alohida fazalarni hosil qilishga qodir bo'lgan bir nechta turli xil qattiq holatlarga ega bo'lishi mumkin. Suv bunday materialning taniqli misolidir. Masalan, suv muzi odatda geksagonal muz I_h shaklida uchraydi, lekin kubik muz I_c, romboedrik muz II va boshqa ko'plab shakllarda ham mavjud bo'lishi mumkin. Polimorfizm — bu qattiq jismning bir nechta kristall shaklda mavjud bo'lish qobiliyatidir. Sof kimyoviy elementlar uchun polimorfizm allotropiya deb ataladi. Masalan, olmos, grafit va fullerenlar uglerodning turli allotroplaridir.

Faza o'tishlari

Asosiy maqola: Faza o'tishi

Modda faza o'tishiga uchraganda (bir agregat holatdan boshqasiga o'tganda), u odatda energiya oladi yoki chiqaradi. Masalan, suv bug'langanda, bug'lanayotgan molekulalar suyuqlikning tortishish kuchlaridan qochib qutulishi natijasida kinetik energiyaning oshishi haroratning pasayishida namoyon bo'ladi. Faza o'tishini yuzaga keltirish uchun zarur bo'lgan energiya suvning ichki issiqlik energiyasidan olinadi, bu esa suyuqlikni pastroq haroratgacha sovutadi; shuning uchun bug'lanish sovutish uchun foydalidir. Qarang: Bugʻlanish entalpiyasi. Teskari jarayon, kondensatsiya, issiqlik chiqaradi. Qattiq jismdan suyuqlikka o'tish bilan bog'liq issiqlik energiyasi yoki entalpiya suyuqlanish entalpiyasi deb ataladi va qattiq jismdan gazga o'tish bilan bog'liq bo'lgani sublimatsiya entalpiyasidir.

Muvozanatdan tashqari fazalar

Moddaning fazalari an'anaviy ravishda termal muvozanatdagi tizimlar uchun aniqlangan bo'lsa-da, kvant ko'p jismli lokalizatsiyalangan (MBL - many-body localized) tizimlar bo'yicha ishlar muvozanatdan tashqari fazalarni aniqlash uchun asos yaratdi. MBL fazalar hech qachon termal muvozanatga erishmaydi va lokalizatsiya bilan himoyalangan kvant tartibi deb nomlanuvchi hodisa orqali muvozanatda ruxsat etilmagan yangi tartib shakllariga imkon beradi. Turli MBL fazalar o'rtasidagi va MBL hamda termallashuvchi fazalar o'rtasidagi o'tishlar yangi dinamik faza o'tishlari bo'lib, ularning xususiyatlari faol tadqiqot yo'nalishlari hisoblanadi.

Manbalar

↑ Modell, Michael; Robert C. Reid. Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1974. ISBN 978-0-13-914861-3.
↑ Enrico Fermi. Thermodynamics. Courier Corporation, 2012. ISBN 978-0-486-13485-7.
↑ Clement John Adkins. Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press, 1983. ISBN 978-0-521-27456-2.

↑ Bunday tizimlardan biri, yuqoridan pastga qarab: mineral moy, silikon moyi, suv, anilin, perftor(dimetilsiklogeksan), oq fosfor, galliy va simob. Tizim 7002318150000000000♠45 °C haroratda uzoq vaqt davomida ajralgan holda qoladi, bunda galliy va fosfor erigan holatda bo'ladi. Manba: Reichardt, C.. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH, 2006 — 9–10-bet. ISBN 978-3-527-60567-5.
↑ Bu hodisa Hek vinillanishida katalizatorni qayta ishlashga yordam berish uchun ishlatilishi mumkin. Qarang: Bhanage, B.M. (1998). "Comparison of activity and selectivity of various metal-TPPTS complex catalysts in ethylene glycol — toluene biphasic Heck vinylation reactions of iodobenzene". Tetrahedron Letters 39 (51): 9509–9512. doi:10.1016/S0040-4039(98)02225-4.

[1] Modell, Michael; Robert C. Reid. Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1974. ISBN 978-0-13-914861-3.

[Fermi2012-2] Enrico Fermi. Thermodynamics. Courier Corporation, 2012. ISBN 978-0-486-13485-7.

[Adkins1983-3] Clement John Adkins. Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press, 1983. ISBN 978-0-521-27456-2.

[4] Bunday tizimlardan biri, yuqoridan pastga qarab: mineral moy, silikon moyi, suv, anilin, perftor(dimetilsiklogeksan), oq fosfor, galliy va simob. Tizim 7002318150000000000♠45 °C haroratda uzoq vaqt davomida ajralgan holda qoladi, bunda galliy va fosfor erigan holatda bo'ladi. Manba: Reichardt, C.. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH, 2006 — 9–10-bet. ISBN 978-3-527-60567-5.

[5] Bu hodisa Hek vinillanishida katalizatorni qayta ishlashga yordam berish uchun ishlatilishi mumkin. Qarang: Bhanage, B.M. (1998). "Comparison of activity and selectivity of various metal-TPPTS complex catalysts in ethylene glycol — toluene biphasic Heck vinylation reactions of iodobenzene". Tetrahedron Letters 39 (51): 9509–9512. doi:10.1016/S0040-4039(98)02225-4.

[1]

[2]

[3]

[a]

[b]