ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

До конца ХIХ в. основным методом изучения химических систем являлся препаративный метод, основанный на выделении из системы данного вещества различными способами (кристаллизация, перегонка и др.) и изучении состава и свойств (оптических, магнитных, электрических, объемных и т.д.). Препаративный метод имеет большое значение для развития химии и широко применяется до настоящего времени, особенно в органической химии. Однако этот метод оказался недостаточным при изучении многих систем, таких как растворы, расплавы, смолы, стекла и многокомпонентные системы [25].

На базе учения о химическом равновесии был разработан новый метод исследования химических систем — метод физико-химического анализа. Основы физико-химического анализа были заложены в конце 19 в. Дж. Гиббсом, Д. И. Менделеевым, Я. Вант-Гоффом. Развитие этого метода работами А. Ле-Шателье, Г. Таммана, Х. Розебома и особенно Н. С. Курнакова и его школы

Термин физико-химический анализ был введен Н.С. Курнаковым в 1913г. Многочисленные работы Н.С. Курнакова по изучению металлических, органических и соленых систем показали, что метод физико-химического является важным, а иногда и единственным методом исследования сложных систем. По определению Н.С. Курнакова, метод физико-химического анализа есть «геометрический метод исследования химических превращений [25 - 28].

В Большой Советской Энциклопедии дано определение: «Физико-химический анализ — это метод исследования физико-химических систем, посредством которого устанавливают характер компонентов системы на основе изучения соотношений между её физическими свойствами и составом» [29].

Физико-химический анализ представляет собой обширный раздел общей химии и имеет сложную структуру. В физико-химическом анализе можно выделить следующие составляющие:

· понятийный аппарат физико-химического анализа;

· основы учения о термодинамических равновесиях, в котором, прежде всего, следует выделить правило фаз Гиббса;

· разработка теоретических основ физико-химического анализа, в термодинамический вывод основных типов диаграмм состояния, их графическое представление, установление взаимосвязи между ними;

· разработка теоретических основ аппаратуры и методик экспериментальных методов исследования систем;

· методологическая часть, позволяющая выбрать необходимые методы;

· объекты исследования;

· результаты изучения диаграмм конкретных физико-химических систем.

Физико-химический анализ оперирует такими понятиями, как система, компоненты, фаза, состояние системы, фазовое равновесие, диаграмма. Эти основные понятия имеют следующие определения:

Компоненты — индивидуальные вещества, которые, будучи взяты в наименьшем числе, достаточны для построения всей системы, причем предполагается, что система находится в равновесном состоянии [27, 30].

Фаза — совокупность частей системы, тождественных по химическому составу и термодинамическим свойствам и находящихся между собою в термодинамическом равновесии [25, 27, 30].

Термодинамически равновесным, или равновесным, называется такое состояние термодинамической системы, не изменяющееся во времени и не сопровождающееся переносом через систему вещества или энергии [27].

Фазовым, или гетерогенным равновесием называется равновесие в системе, состоящей из двух или большего числа фаз [25].

В основе физико-химического анализа лежат правило фаз и впервые введённые Н. С. Курнаковым принципы непрерывности и соответствия.

Правило фаз - соотношение термодинамики, согласно которому для любой равновесной системы сумма числа фаз j и вариантности V равна числу компонентов k, увеличенному на число параметров n, определяющих равновесное состояние системы: j + v = k + n. При этом параметры состояния - температура Т, давление р, напряжённости электрического и магнитного полей и др. — должны быть одинаковыми во всех фазах. Если состояние системы может изменяться лишь под действием Т и р, причём размеры фаз таковы, что можно пренебречь величиной их поверхностной энергии, то правило фаз принимает вид: v = k + 2-j [25, 27, 30, 31].

Согласно принципу непрерывности, при непрерывных изменениях параметров состояния свойства системы изменяются также непрерывно (при условии, что число её фаз остаётся постоянным); при изменении числа фаз некоторые свойства изменяются скачком (претерпевают разрыв непрерывности).

Согласно принципу соответствия, каждой фазе или совокупности фаз системы соответствует определённый геометрический образ (точка, линия, поверхность, объём) на диаграмме состав — свойство. Так, началу кристаллизации фазы (или фаз) соответствуют кривые (или поверхности) ликвидуса, над которыми расположена область существования одной жидкой фазы (раствора или расплава); концу кристаллизации соответствуют линии (или поверхности) солидуса, ниже которых существуют лишь твёрдые фазы [25, 27 - 29].

В физико-химическом анализе измеряют различные физические свойства систем, чаще всего температуры фазовых переходов (термический анализ) и другие тепловые свойства (теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение), электрические (электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость), оптические (показатель преломления, вращение плоскости поляризации света), плотность, вязкость, твёрдость и другие, а также зависимость скорости происходящих в системе превращений от её состава. Широко используют изучение исследуемых объектов посредством рентгеновского структурного анализа, микроскопической металлографии и др.

Объекты физико-химического анализа классифицированы по числу компонентов в системе. Различают однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные и т. д. системы.