Макроскопическое определение фазы

Мы уже определили, что такое фаза с точки зрения отдельных атомов (то есть микромира), теперь подойдем к фазе с точки зрения макромира. Рассмотрим несколько систем, представленных на рисунке:

В трех стаканах налита вода. В стакане №2 к воде добавлено растительное масло. В стакане №3 также находятся вода и масло, но в этом случае масло сильно взболтали, и оно разбилось на маленькие капельки. Если дать капелькам время, они соберутся вместе и мы получим систему №2. Но пока что капельки существуют по отдельности.

Будем считать, что наши системы не включают в себя стекло стакана и воздух, а ограничены только жидкостью (жидкостями). Совершенно очевидно, что система №1 однородна и состоит только из одного компонента. Системы №2 и №3 неоднородны и состоят из двух компонентов. Компоненты систем №2 и №3 отделены друг от друга границами раздела. В системе №2 граница раздела всего одна - плоскость, разделяющая слой масла и слой воды. В системе №3 границ раздела много, поскольку каждая капля масла отделена от воды своей границей. Но понятно, что разницы между каплями нет, нет также разницы между всеми этими границами, и было бы удобно рассматривать все капли масла, как одну большую порцию масла, разделенную на много эквивалентных частей, и считать, что граница раздела между водой и маслом одна, но она тоже разделена на много эквивалентных частей. Исторически так оно и есть: до того как масло взболтали, все оно было собрано вместе, а если дать ему постоять, оно соберется вместе опять.

Введем ряд определений:

Система, не имеющая внутренних границ раздела, называется гомогенной (однородной).

Система, разделенная внутренними границами, называется гетерогенной (неоднородной).

Каждая гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей границами раздела, называется фазой.

В последнем определении не будем забывать, что фаза не обязательно должна быть непрерывной. Система №3 содержит одну непрерывную фазу - воду и одну дисперсную фазу - совокупность капелек масла, не отличающихся друг от друга.

Фаза является важнейшим понятием физической химии. Именно фаза имеет ряд свойств, которые мы неразрывно связываем с веществом. Например, именно фаза находится в некотором агрегатном состоянии. Скажем, если в стакан бросить кусочек льда и дать ему слегка подтаять, то мы получим систему, состоящую из одного вещества, но трех фаз: кристаллы твердой воды будут плавать в жидкой воде, над которой будет находиться газообразная вода (которую мы, впрочем, не увидим). При этом все фазы будут разделены границами раздела, и система будет очевидно гетерогенной, хотя и содержащей одно-единственное вещество.

Фаза также несет ответственность за плотность, прочность, пластичность, коэффициент преломления, цвет и очень многие другие свойства вещества. Если фазы не будет, то все эти свойства либо исчезнут, либо изменятся до неузнаваемости.

Интересно проследить за процессом исчезновения фазы. Этот процесс легче всего наблюдать при растворении твердого вещества в жидкости. Если взять, скажем, комок сахара и положить его в стакан горячего чая, то мы увидим, как твердая фаза сахара постепенно становится меньше и, наконец, исчезает совсем. Нам с вами понятно, что сахар по-прежнему находится в стакане. Более того, он не распался на части, не разделился на ионы (как было бы, например, с поваренной солью), не превратился в другие вещества. Все, что произошло - это число молекул сахара в группе все время уменьшалось из-за того, что молекулы воды "растаскивали" сахар по разным частям стакана. В конце концов число молекул сахара стало меньше, чем минимальное число частиц в фазе. Для стороннего наблюдателя это значит, что сахар исчез из стакана как самостоятельное вещество. Отсюда еще одно определение фазы:

Фаза - это часть вещества, которая обладает самостоятельностью и свойствами, отдельными от свойств других фаз.