Faza (modda)

Физик фанларда фаза — бу кимёвий жиҳатдан бир хил, физик жиҳатдан ажралиб турадиган ва (ко'пинча) механик усулда ажратилиши мумкин бо'лган модда қисмидир. Шиша идишдаги муз ва сувдан иборат тизимда муз бо'лаклари бир фазани, сув иккинчи фазани, муз ва сув устидаги нам ҳаво эса учинчи фазани ташкил қилади. Идишнинг шишаси бошқа материал бо'либ, о'зига хос алоҳида фазада бо'лади. (Қаранг: Модданинг агрегат ҳолати § Шиша.)

Аниқрог'и, фаза — бу фазонинг (термодинамик тизимнинг) бир қисми бо'либ, унда модданинг барча физик хусусиятлари моҳиятан бир хилдир.^[1]^[2]^[3] Физик хусусиятларга мисол сифатида зичлик, синдириш ко'рсаткичи, магнитланиш ва кимёвий таркибни келтириш мумкин.

Фаза атамаси ба'зан модданинг агрегат ҳолати (стате оф маттер) тушунчасига синоним сифатида ишлатилади, аммо битта агрегат ҳолатда бир нечта аралашмайдиган фазалар бо'лиши мумкин (масалан, мой ва сув суюқ ҳолатда бо'лса-да, алоҳида фазаларга ажралади).

Фазалар турлари

Турли фазалар модданинг агрегат ҳолатлари, масалан, газ, суюқлик, қаттиқ ҳолат, плазма ёки Бозе-Эйнштейн конденсати (Босе–Эинстеин cонденсате) сифатида тавсифланиши мумкин. Қаттиқ ва суюқ ҳолатлар орасидаги фойдали мезофазалар модданинг бошқа ҳолатларини ҳосил қилади.

Берилган агрегат ҳолат ичида ҳам турли фазалар мавжуд бо'лиши мумкин. Темир қотишмалари диаграммасида ко'рсатилганидек, қаттиқ ва суюқ ҳолатлар учун бир нечта фазалар мавжуд. Фазалар, шунингдек, эрувчанлик асосида қутбли (гидрофил) ёки қутбсиз (гидрофоб) турларга ажратилиши мумкин. Сув (қутбли суюқлик) ва мой (қутбсиз суюқлик) аралашмаси о'з-о'зидан икки фазага ажралади. Сув мойда жуда паст эрувчанликка (эримайдиган) эга, мой эса сувда паст эрувчанликка эга. Эрувчанлик — бу эрувчи модда эришдан то'хтаб, алоҳида фазада қолишидан олдин эритувчида эриши мумкин бо'лган максимал миқдордир. Аралашма иккидан ортиқ суюқ фазага ажралиши мумкин ва фазаларни ажратиш тушунчаси қаттиқ жисмларга ҳам тегишлидир, я'ни қаттиқ жисмлар қаттиқ эритмалар ҳосил қилиши ёки турли хил кристалл фазаларга айланиши мумкин. О'заро эрувчан металл жуфтликлари қотишмалар ҳосил қилиши мумкин, о'заро эримайдиган металл жуфтликлари эса буни амалга оширолмайди.

Саккизтагача аралашмайдиган суюқ фаза кузатилган.^[а] О'заро аралашмайдиган суюқ фазалар сув (сувли фаза), гидрофоб органик эритувчилар, перфторуглеродлар (фторли фаза), силиконлар, бир нечта турли металлар ва шунингдек, эриган фосфордан ҳосил бо'лади. Барча органик эритувчилар ҳам то'лиқ аралашувчан эмас, масалан, этилен гликол ва толуол аралашмаси икки хил органик фазага ажралиши мумкин.^[б]

Фазалар макроскопик миқёсда о'з-о'зидан ажралиши шарт эмас. Эмулсиялар ва коллоидлар жисмоний жиҳатдан ажралмайдиган, аралашмайдиган фаза жуфтликларига мисолдир.

Фаза мувозанати

Мувозанат ҳолатига келтирилганда, ко'плаб таркиблар ягона бир хил фаза ҳосил қилади, аммо ҳарорат ва босимга қараб, ҳатто битта модда ҳам икки ёки ундан ортиқ алоҳида фазаларга ажралиши мумкин. Ҳар бир фаза ичида хусусиятлар бир хил бо'лади, аммо икки фаза о'ртасида хусусиятлар фарқланади.

Ёпиқ идишдаги сув ва унинг устидаги ҳаво бо'шлиг'и икки фазали тизимни ташкил қилади. Сувнинг катта қисми суюқ фазада бо'либ, у ерда сув молекулаларининг о'заро тортишиши билан ушлаб турилади. Ҳатто мувозанат ҳолатида ҳам молекулалар доимий ҳаракатда бо'лади ва вақти-вақти билан суюқ фазадаги молекула суюқликдан ажралиб чиқиб, газ фазасига о'тиш учун етарли кинетик энергияга эга бо'лади. Шунингдек, вақти-вақти билан буг' молекуласи суюқлик юзасига урилиб, суюқликка конденсацияланади. Мувозанат ҳолатида буг'ланиш ва конденсация жараёнлари бир-бирини аниқ мувозанатлайди ва ҳар икки фазанинг ҳажмида аниқ о'згариш бо'лмайди.

Хона ҳарорати ва босимида, сув устидаги ҳавонинг намлиги тахминан 3% га етганда сув идиши мувозанатга эришади. Бу фоиз ҳарорат ко'тарилиши билан ортади. 100 °C ва атмосфера босимида ҳаво 100% сувдан иборат бо'лмагунча мувозанатга эришилмайди. Агар суюқлик 100 °C дан бироз юқорироқ қиздирилса, суюқликдан газга о'тиш нафақат сиртда, балки бутун суюқлик ҳажми бо'йлаб содир бо'лади: сув қайнайди.

Фазалар сони

Яна қаранг: Ко'п фазали суюқлик

Бир компонентли материал учун типик фаза диаграммаси бо'либ, унда қаттиқ, суюқ ва газ фазалари ко'рсатилган. Яшил чизиқ суюқ-қаттиқ фаза чизиг'ининг одатий шаклини ифодалайди. Нуқтали яшил чизиқ босим ошганда сувнинг аномал ҳаракатини ко'рсатади. Учланма нуқта ва критик нуқта қизил нуқталар билан белгиланган.

Муайян таркиб учун ма'лум бир ҳарорат ва босимда фақат ма'лум фазалар бо'лиши мумкин. Ҳосил бо'ладиган фазалар сони ва турини олдиндан айтиш қийин ва одатда тажриба орқали аниқланади. Бундай тажрибалар натижалари фаза диаграммасида тасвирланиши мумкин.

Бу ерда келтирилган фаза диаграммаси бир компонентли тизим учундир. Ушбу оддий тизимда мумкин бо'лган фазалар фақат босим ва ҳароратга бог'лиқ. Белгилар икки ёки ундан ортиқ фазалар мувозанатда бирга мавжуд бо'лиши мумкин бо'лган нуқталарни ко'рсатади. Белгилардан узоқроқ ҳарорат ва босимларда мувозанатда фақат битта фаза бо'лади.

Диаграммада суюқлик ва газ о'ртасидаги чегарани белгиловчи ко'к чизиқ чексиз давом этмайди, балки критик нуқта деб аталадиган нуқтада тугайди. Ҳарорат ва босим критик нуқтага яқинлашгани сари суюқлик ва газнинг хусусиятлари тобора о'хшаш бо'либ боради. Критик нуқтада суюқлик ва газни бир-биридан ажратиб бо'лмайди. Критик нуқтадан юқорида энди алоҳида суюқ ва газ фазалари мавжуд бо'лмайди: фақат о'та критик суюқлик (суперcритиcал флуид) деб аталадиган умумий суюқлик фазаси мавжуд бо'лади. Сувда критик нуқта тахминан 647 К (374 °C ёки 705 °Ф) ва 22.064 МПа да содир бо'лади.

Сув фаза диаграммасининг г'айриоддий хусусияти шундаки, қаттиқ-суюқ фаза чизиг'и (нуқтали яшил чизиқ билан ко'рсатилган) манфий қияликка эга. Аксарият моддалар учун то'қ яшил чизиқ билан тасвирланганидек, қиялик мусбат бо'лади. Сувнинг ушбу г'айриоддий хусусияти музнинг суюқ сувга қараганда пастроқ зичликка эга эканлиги билан бог'лиқ. Босимни ошириш сувни юқорироқ зичликдаги фазага о'тказади, бу эса эришга олиб келади.

Фаза диаграммасининг яна бир қизиқарли, аммо ноодатий бо'лмаган хусусияти — бу қаттиқ-суюқ фаза чизиг'и суюқ-газ фаза чизиг'и билан учрашадиган нуқтадир. Кесишма учланма нуқта деб аталади. Учланма нуқтада барча уч фаза бирга мавжуд бо'лиши мумкин.

Тажрибада, бир нечта фазалар ҳосил бо'лганда ривожланадиган ҳарорат ва босимнинг о'заро бог'лиқлиги туфайли фаза чизиқларини хариталаш нисбатан осон. Гиббснинг фаза қоидаси шуни ко'рсатадики, турли фазалар ушбу о'згарувчилар орқали то'лиқ аниқланади. Пистон билан жиҳозланган ёпиқ ва яхши изоляцияланган силиндрдан иборат синов қурилмасини ко'риб чиқинг. Ҳарорат ва босимни назорат қилиш орқали тизимни фаза диаграммасидаги ҳар қандай нуқтага келтириш мумкин. Қаттиқ барқарорлик ҳудудидаги (диаграмманинг чап томони) нуқтадан тизим ҳароратини ошириш уни суюқлик ёки газ мувозанат фазаси бо'лган ҳудудга олиб келади (босимга қараб). Агар пистон секин пастга туширилса, тизим фаза диаграммасининг газ ҳудудида ортиб бораётган ҳарорат ва босим эгри чизиг'ини чизади. Газ суюқликка конденсациялана бошлаган нуқтада, ҳарорат ва босим эгри чизиг'ининг ё'налиши кескин о'згариб, барча сув конденсацияланмагунча фаза чизиг'и бо'йлаб ҳаракатланади.

Фазалараро ҳодисалар

Мувозанатдаги икки фаза о'ртасида ҳеч қайси фазанинг хусусиятларига эга бо'лмаган тор ҳудуд мавжуд. Гарчи бу ҳудуд жуда юпқа бо'лса-да, у муҳим ва осон кузатиладиган та'сирларга эга бо'лиши мумкин, масалан, суюқликда сирт таранглигини келтириб чиқаради. Аралашмаларда ба'зи компонентлар фаза чегараси (интерфейс) томон ҳаракатланишни афзал ко'риши мумкин. Муайян тизимнинг ҳаракатини моделлаштириш, тавсифлаш ёки тушуниш нуқтаи назаридан, фазалараро ҳудудни алоҳида фаза сифатида қараш самарали бо'лиши мумкин.

Кристалл фазалар

Битта материал алоҳида фазаларни ҳосил қилишга қодир бо'лган бир нечта турли хил қаттиқ ҳолатларга эга бо'лиши мумкин. Сув бундай материалнинг таниқли мисолидир. Масалан, сув музи одатда гексагонал муз И_ҳ шаклида учрайди, лекин кубик муз И_c, ромбоэдрик муз ИИ ва бошқа ко'плаб шаклларда ҳам мавжуд бо'лиши мумкин. Полиморфизм — бу қаттиқ жисмнинг бир нечта кристалл шаклда мавжуд бо'лиш қобилиятидир. Соф кимёвий элементлар учун полиморфизм аллотропия деб аталади. Масалан, олмос, графит ва фуллеренлар углероднинг турли аллотропларидир.

Фаза о'тишлари

Асосий мақола: Фаза о'тиши

Модда фаза о'тишига учраганда (бир агрегат ҳолатдан бошқасига о'тганда), у одатда энергия олади ёки чиқаради. Масалан, сув буг'ланганда, буг'ланаётган молекулалар суюқликнинг тортишиш кучларидан қочиб қутулиши натижасида кинетик энергиянинг ошиши ҳароратнинг пасайишида намоён бо'лади. Фаза о'тишини юзага келтириш учун зарур бо'лган энергия сувнинг ички иссиқлик энергиясидан олинади, бу эса суюқликни пастроқ ҳароратгача совутади; шунинг учун буг'ланиш совутиш учун фойдалидир. Қаранг: Буғланиш энталпияси. Тескари жараён, конденсация, иссиқлик чиқаради. Қаттиқ жисмдан суюқликка о'тиш билан бог'лиқ иссиқлик энергияси ёки энталпия суюқланиш энталпияси деб аталади ва қаттиқ жисмдан газга о'тиш билан бог'лиқ бо'лгани сублимация энталпиясидир.

Мувозанатдан ташқари фазалар

Модданинг фазалари ан'анавий равишда термал мувозанатдаги тизимлар учун аниқланган бо'лса-да, квант ко'п жисмли локализацияланган (МБЛ - манй-бодй лоcализед) тизимлар бо'йича ишлар мувозанатдан ташқари фазаларни аниқлаш учун асос яратди. МБЛ фазалар ҳеч қачон термал мувозанатга эришмайди ва локализация билан ҳимояланган квант тартиби деб номланувчи ҳодиса орқали мувозанатда рухсат этилмаган янги тартиб шаклларига имкон беради. Турли МБЛ фазалар о'ртасидаги ва МБЛ ҳамда термаллашувчи фазалар о'ртасидаги о'тишлар янги динамик фаза о'тишлари бо'либ, уларнинг хусусиятлари фаол тадқиқот ё'налишлари ҳисобланади.

Манбалар

↑ Моделл, Мичаэл; Роберт C. Реид. Тҳермодйнамиcс анд Иц Апплиcатионс. Энглеwоод Cлиффс, НЖ: Прентиcе-Ҳалл, 1974. ИСБН 978-0-13-914861-3.
↑ Энриcо Ферми. Тҳермодйнамиcс. Cоуриэр Cорпоратион, 2012. ИСБН 978-0-486-13485-7.
↑ Cлемент Жоҳн Адкинс. Эқуилибриум Тҳермодйнамиcс. Cамбридге Университй Пресс, 1983. ИСБН 978-0-521-27456-2.

↑ Бундай тизимлардан бири, юқоридан пастга қараб: минерал мой, силикон мойи, сув, анилин, перфтор(диметилсиклогексан), оқ фосфор, галлий ва симоб. Тизим 7002318150000000000♠45 °C ҳароратда узоқ вақт давомида ажралган ҳолда қолади, бунда галлий ва фосфор эриган ҳолатда бо'лади. Манба: Реичардт, C.. Солвенц анд Солвент Эффеcц ин Органиc Чемистрй. Wилей-ВCҲ, 2006 — 9–10-бет. ИСБН 978-3-527-60567-5.
↑ Бу ҳодиса Ҳек винилланишида катализаторни қайта ишлашга ёрдам бериш учун ишлатилиши мумкин. Қаранг: Бҳанаге, Б.М. (1998). "Cомпарисон оф аcтивитй анд селеcтивитй оф вариоус метал-ТППТС cомплех cаталйсц ин этҳйлене глйcол — толуэне бипҳасиc Ҳеcк винйлатион реаcтионс оф иодобензене". Тетраҳедрон Леттерс 39 (51): 9509–9512. дои:10.1016/С0040-4039(98)02225-4. ҳттпс://арчиве.орг/детаилс/сим_тетраҳедрон-леттерс_1998-12-17_39_51/паге/9508.

[1] Моделл, Мичаэл; Роберт C. Реид. Тҳермодйнамиcс анд Иц Апплиcатионс. Энглеwоод Cлиффс, НЖ: Прентиcе-Ҳалл, 1974. ИСБН 978-0-13-914861-3.

[Fermi2012-2] Энриcо Ферми. Тҳермодйнамиcс. Cоуриэр Cорпоратион, 2012. ИСБН 978-0-486-13485-7.

[Adkins1983-3] Cлемент Жоҳн Адкинс. Эқуилибриум Тҳермодйнамиcс. Cамбридге Университй Пресс, 1983. ИСБН 978-0-521-27456-2.

[4] Бундай тизимлардан бири, юқоридан пастга қараб: минерал мой, силикон мойи, сув, анилин, перфтор(диметилсиклогексан), оқ фосфор, галлий ва симоб. Тизим 7002318150000000000♠45 °C ҳароратда узоқ вақт давомида ажралган ҳолда қолади, бунда галлий ва фосфор эриган ҳолатда бо'лади. Манба: Реичардт, C.. Солвенц анд Солвент Эффеcц ин Органиc Чемистрй. Wилей-ВCҲ, 2006 — 9–10-бет. ИСБН 978-3-527-60567-5.

[5] Бу ҳодиса Ҳек винилланишида катализаторни қайта ишлашга ёрдам бериш учун ишлатилиши мумкин. Қаранг: Бҳанаге, Б.М. (1998). "Cомпарисон оф аcтивитй анд селеcтивитй оф вариоус метал-ТППТС cомплех cаталйсц ин этҳйлене глйcол — толуэне бипҳасиc Ҳеcк винйлатион реаcтионс оф иодобензене". Тетраҳедрон Леттерс 39 (51): 9509–9512. дои:10.1016/С0040-4039(98)02225-4. ҳттпс://арчиве.орг/детаилс/сим_тетраҳедрон-леттерс_1998-12-17_39_51/паге/9508.

[1]

[2]

[3]

[а]

[б]