تفسیر شیمیایی قانون فازی گیبس✍محقق و نویسنده:جمال عبدالله زاده✍

محقق و نویسنده: جمال عبدالله زاده دانشجوی شیمی محض🧪عاشق محاسبات شیمی،تاریخ شیمی و دنیای شیمی فیزیک به خصوص شیمی کوانتوم و ترمودینامیک شیمیایی🧪

قانون فازی گیبس Gibbs phase rule یکی از جذاب ترین موضوعات دنیای ترمودینامیک شیمیایی است که به شیمیدان ها امکان می دهد در قلمروی گسترده متغیرهای ترمودینامیکی سردرگم نشوند و راه خود را پیدا کنند.اوج پیچیدگی و زیبایی شیمی این است که این متغیرها همگی برهم تاثیر می گذارند و بررسی شیوه ارتباط آنها حائز اهمیت فراوان است.بنابراین از همان اول باید از خودمان بپرسیم که آیا مثلا دو متغیر فشار و دما مستقل از هم  تغییر می کنند یا کاملا وابسته به هم هستند و تغییرات آنها به هم گره خورده است.قانون فازی گیبس Gibbs Phase Rule تلاشی هدفمند برای دسته بندی و تحلیل علمی متغیرهای ترمودینامیکی و سامان دادن آنها در یک چارچوب علمی مشخص است.مفهوم مرکزی و محوری در قانون فازی گیبس درجه آزادی degree of freedom می باشد که در منابع علمی آن را با نماد F نشان می دهند.قانون فازی گیبس بیانگر تعداد فازهای در حال تعادل در یک محدوده پایداری stability field می باشد و نیز تعداد متغیرهای حالتی state variable  را مشخص می کند که به صورت مستقل و مجزا از متغیرهای دیگر تغییر می کنند.اینجا یک پرسش جالب مطرح می شود؛منظور از واژه محدوده پایداری stability field چیست و چرا در تعریف قانون فازی گیبس از  این مفهوم کمک گرفتیم؟؟ در پاسخ باید بگویم محدوده پایداری به زبان ساده به ناحیه ای از فشار،دما و ترکیب composition اطلاق می شود که در آن گونه شیمیایی یا فاز به صورت ترمودینامیکی پایدار است و تمایل ندارد به صورت خودبه خودی تغییر فاز دهد و حالت فیزیکی آن هیچ تغییری نمی کند.به عبارت دیگر محدوده پایداری قسمت هایی از دیاگرام های فازی یا همان نمودار فشار_دما هستند که گونه شیمیایی یا فاز مورد نظر پایداری ترمودینامیکی دارد.به همین خاطر در مطالعات شیمی نظری دیاگرام های فازی را به چندین ناحیه تحت عنوان محدوده پایداری تقسیم می کنند و به دقت آن را بررسی و تحلیل می کنند تا به درک عمیق تری از قانون فازی گیبس برسند و مفهوم درجه آزادی degree of freedom را درک کنند.البته بازهم یک پرسش مهم تر مطرح می شود؛ منظور از متغیرهای حالت چیست؟؟ در پاسخ به پرسش دوم باید بگویم متغیرهای حالت همان طور که از اسم آنها پیداست وضعیت و حالت یک سیستم ترمودینامیکی را بیان می کنند.دما،فشار و ترکیب ماده composition سه نمونه مشهور از متغیرهای حالت هستند.هدف نهایی قانون فازی گیبس محاسبه درجه آزادی degree of freedom یا همان variance می باشد.پس همواره معادله کلی زیر برقرار است: F=C➖P➕2 در این معادله پارامتر C بیانگر تعداد اجزای سیستم یا تعداد مولفه های سازنده آن موسوم به number of components می باشد.وجود متغیر تعداد اجزا C بیانگر اهمیت و تاثیر نوع و ساختمان شیمیایی ماده در شکل گیری ساختارهای ترمودینامیکی است و به وضوح پیوند ناگسستنی جنس ماده و فاز ماده را به تصویر می کشد و نشان می دهد که دو مقوله فاز ماده و جنس ماده جدا از هم نیستند بلکه زنجیروار به هم متصل هستند.به زبان ساده هر ناحیه از مخلوط که ترکیب درصد و اجزای آن در همه نقاط یکسان باشد یک فاز تشکیل می دهد چون وقتی آنالیز جرمی از نقاط مختلف آن بگیریم ترکیب درصد یکسان به دست می آید و ساختار کلی مخلوط یکدست هست.بنابراین هر ناحیه همگن و یکنواخت از سیستم یک فاز به حساب می آید.در این معادله پارامترP بیانگر تعداد فازهای در حال تعادل است.پس برای درک عمیق قانون فازی گیبس در گام نخست باید به صورت دقیق با دو مفهوم فاز ماده و ترکیب ماده آشنایی داشته باشیم.همچنین باید دو پارامتر فازهای ماده Pو اجزای ماده C را کنارهم بچینیم و هر سیستم را به صورت تابعی از این دو پارامتر مهم و بنیادین تعریف کنیم.بنابراین در تحلیل یک سیستم ترمودینامیکی باید حتما تاثیر هم زمان دو کمیت بنیادین تعداد اجزا C و تعداد فازها P را لحاظ کنیم تا نهایتا درجه آزادی را محاسبه کنیم.عدد۲ در این معادله هم بیانگر متغیرهای حالت دما و فشار می باشد.اگر دما ثابت باشد معادله به صورت F=C➖P➕1 در می آید ولی اگر هر دو متغیر دما و فشار ثابت باشد معادله به صورت F=C➖P در می آید.بنابراین با ثابت ماندن دما و فشار درجه آزادی سیستم کاهش می یابد یعنی تعداد متغیرهای مستقلی را که به صورت مستقل و جدا از سایرین اندازه بگیریم کاهش می یابد.نکته تامل برانگیز در مورد این معادله این است که هرچه تعداد اجزای سیستم بیشتر شود درجه آزادی بیشتر می شود. این جا یک پرسش چالش برانگیز مطرح می شود؛این بیان علمی و نتیجه ریاضی یعنی ارتباط مستقیم درجه آزادی و تعداد اجزا چه واقعیتی از جهان شیمی را نشان می دهد و چه معنایی دارد؟؟ اگر بخواهم بسیار ملموس و مبتنی بر واقعیت های شیمی جواب دهم این بیان علمی به ما می گوید که هرچقدر سیستم ما از مواد گوناگونی تشکیل شده باشد و تنوع مواد و انوع ساختارهای شیمیایی بیشتر و بیشتر باشد مدل سازی سازی ترمودینامیکی مخلوط تعادلی فازها پیچیده تر می شود و تعداد متغیرهای مستقل هم افزایش می یابد.البته افزایش تعداد متغیرهای مستقل مزیت مهمی هم دارد؛در چنین شرایطی وابستگی ریاضی متغیرهای ترمودینامیکی کمتر می شود و می توانیم راحت تر و ساده تر اثرات و پیامدهای یک متغیر دلخواه را مطالعه و بررسی کنیم.یکی از زیبایی های ترمودینامیک این است که گاهی وقت ها درجه آزادی سیستم را کوچک و محدود می کنیم تا تعداد متغیرهای وابسته به هم زیاد شود که در این صورت بسیاری از اطلاعات سیستم معین و پیش بینی شده می باشد و روال پژوهش راحت تر می شود.جالب است که در برخی موارد باید قیود مربوط به خنثی بودن الکتریکی را نیز در محاسبات در نظر بگیریم.تحلیل علمی سیستم های چندفازی Multiphase System واقعا موضوع تحقیقاتی جذابی است و در این سیستم ها درجه آزادی بیانگر تعداد متغیرهای شدتی مستقل و تعداد فازهای مرتبط با آن است. جالب است که در نقطه سه گانه آب موسوم به triple point صفر درجه آزادی داریم و همه متغیرهای آن مثل چرخ دنده به هم وابسته هستند.هرچقدر تعداد فازها بیشتر باشد درجه آزادی سیستم کمتر می شود چون هر فاز اضافی یک قید تعادلی جدید وارد سیستم می کند و بخشی از آزادی سیستم را می گیرد یا به عبارت دیگر یک چرخ دنده را قفل می کند .هر فاز ثابت جدید یک محدودیت و شرط و قید موسوم به constraint به سیستم اعمال می کند.در نقطه سه گانه آب خواص شدتی سیستم دیگر قابل انتخاب و دخل و تصرف آگاهانه و مستقل نمی باشد و حالت سیستم به طور کامل معین شده است.برای درک عمیق تر درجه آزادی سیستم باید از  کمیت ضریب تعادل فازی موسوم به k_value با نماد ki کمک بگیریم.این کمیت نسبت کسر مولی فاز بخار به کسر مولی فاز مایع را نشان می دهد.به عبارت دیگر ضریب تعادل فازی توزیع اجزا در فازهای تعادلی distribution را مشخص می کند .برای اینکه دو فاز در حال تعادل ترمودینامیکی باشند باید پتانسیل شیمیایی آنها برابر باشد و به ازای هر دفعه  برابری پتانسیل شیمیایی برای دو یا چند فاز فرضی درجه آزادی سیستم یک درجه کاهش می یابد یا به عبارت دیگر تعداد متغیرهای مستقل یک درجه کمتر می شود.قانون فازی گیبس را می توان به زبان ساده تر به صورت زیر هم بیان کرد: تعداد درجات آزادی سیستم برابر است با تعداد کل متغیرهای آن منهای تعداد محدودیت ها یا قیود constrains موجود.هر مولفه یا جزء جدید به اندازه c_1 واحد به تعداد متغیرهای مستقل می افزاید چون وقتی مثلا برای هرکدام از اجزا کسر مولی بنویسیم کسر مولی آنها به هم وابسته هستند و یکی از دیگری به دست می آید.به عنوان مثال اگر سه جزء یا مولفه اتانول،آب و بوتانوئیک اسید را داشته باشیم و کسر مولی اتانول و آب مشخص باشد قاعدتا کسر مولی ماده سومی یعنی بوتانوئیک اسید هم به راحتی به دست می آید و در مجموع این سه جزء یا سه مولفه به اندازه c_1 یعنی ۲ درجه آزادی سیستم می افزایند.فازها به کمک سطوح مرزی bounding surface از هم جدا شده اند.اگرچه قانون فازی گیبس از دیدگاه ریاضی بیشتر جنبه جبری دارد تا هندسی ولی به خاطر درک و فهم ملموس تر و ساده تر این قانون در برخی منابع علمی از روش هندسی و تحلیل نمودارهای فشار_دما  موسوم به دیاگرام های فازی کمک می گیرند.در این روش پژوهشگران مطالعه سیستم های تک جزئی را مبنای کار قرار می دهند چون سیستم تک جزئی ساده ترین مورد است.محققان در این روش خلاقانه آن سیستم تک جزئی را بر اساس تعداد فازها به سه حالت تقسیم می کنند و هر کدام از این حالت ها را به دقت در دیاگرام های فازی بررسی و تحلیل می کنند و نمودارهای فشار_دما را به چندین محدوده و ناحیه فرضی تقسیم می کنند.در نگاه اول شاید نمودارهای فشار_دما مجموعه ای پیوسته و نامفهوم و مبهم به نظر برسد ولی محققان در این روش نمودار را قطعه قطعه می کنند و اجزای آن را به دقت کالبدشکافی می کنند و در هر تکه از نمودار جزئیات فراوان و اطلاعات ترمودینامیکی جدیدی به دست می آورند.برای سیستم های تک جزئی سه حالت کلی داریم:الف) سیستم تک فازی با دو درجه آزادی ب)سیستم دوفازی با یک درجه آزادی ج)سیستم سه فازی با صفر درجه آزادی.برای تک تک این حالت ها دیاگرام فازی را رسم می کنیم.در سیستم تک فازی نسبت به سایر حالت ها بیشترین درجه آزادی را داریم.به عنوان مثال اگر آب فقط در فاز مایع پایدار باشد سیستم در هر نقطه ای می تواند قرار گیرد پس برای تعیین حالت سیستم باید هم دما و هم فشار مشخص شود.تعادل شیمیایی ناوردا invarient equilibrium حالتی است که F=0 باشد و درجه آزادی صفر باشد که در آن صورت هیچ متغیری به صورت مستقل نمی تواند تغییر کند.نقطه سه گانه همان جایی است که درجه آزادی صفر است  و تعادل ناوردا برقرار است.نکته جالب در مورد تعادل ناوردا این است که متغیرهای مثل چرخ دنده به هم وابسته هستند و هیچ کدام به صورت جداگانه قابل مطالعه نیست و در وضعیت وابستگی متغیرها در شدیدترین حالت خود می باشد.نکته جالب تر این است که علی رغم این پیچیدگی ها و وابستگی بین متغیرها در تعادل ناوردا invarient equilibrium پایداری و روال عادی طبیعت شیمی به هم نمی خورد و سیستم به شکل هوشمندانه و دقیقی همچنان پایدار می ماند و بنیان آن از هم نمی پاشد.

🌏دوستان عزیز می توانید ما را در کانال تلگرام ایستگاه اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال به نشانی t.me/JimiChem دنبال کنید؛ رسانه ای جذاب و جالب برای عاشقان علم شیمی به ویژه آنان که اندیشیدن مداوم به ماهیت علم شیمی را دوست دارند.🌏