相分離

相分離とは、単一の均一な混合物から 2 つの異なる相が生成されることです。^{[ 1 ]} 最も一般的な相分離は、油と水のように混ざり合わない2 つの液体の間で起こります。このタイプの相分離は、液液平衡として知られています。相分離によってコロイドが形成されますが、すべての相分離がコロイドを形成するわけではありません。たとえば、油と水は、懸濁した微細な液滴のままではなく、重力によって分離した層を形成することがあります。

自発的な相分離の一般的な形態はスピノーダル分解と呼ばれ、Cahn–Hilliard方程式で記述されます。相分離が発生する相図の領域は混和性ギャップと呼ばれます。注目すべき境界曲線は2つあります。バイノーダル共存曲線とスピノーダル曲線です。バイノーダル曲線の片側では、混合物は完全に安定しています。バイノーダル曲線とスピノーダル曲線の間では、混合物は準安定状態になる可能性があり、大きな擾乱がない限り混合状態（または非混合状態）を維持します。スピノーダル曲線の外側の領域は完全に不安定であり、（混合状態から開始した場合）自発的に相分離します。

上限臨界溶解温度(UCST) と下限臨界溶解温度(LCST) は、混合物の成分があらゆる割合で混和する温度の2 つの臨界温度です。両方の臨界温度を持つシステムはまれですが、いくつか存在します。ニコチン- 水システムは、LCST が 61  °C であり、その温度で液体の水が存在するのに十分な高圧では、UCST が 210  °C です。したがって、成分は 61  °C 未満および 210  °C 以上 (高圧下) ではあらゆる割合で混和し、61 °C から 210 °C の範囲では部分的に混和します 。^{[ 2 ] [ 3 ]}

混合はギブズ自由エネルギーによって支配され、ギブズ自由エネルギーを低下させる方の場合に相分離または混合が起こる。${\displaystyle G}$2つの部分に分解できる。${\displaystyle G=H-TS}$、 と${\displaystyle H}$エンタルピー、​${\displaystyle T}$温度、そして${\displaystyle S}$エントロピー。したがって、混合における自由エネルギーの変化は、混合エンタルピーと混合エントロピーの合計です。理想混合物の場合、混合エンタルピーはゼロであり、理想混合物は多くの一般的な溶液を説明するのに十分です。したがって、多くの場合、混合（または相分離）は主に混合エントロピーによって駆動されます。一般的に、粒子（原子、分子）が探索できる空間が大きくなるとエントロピーは増加します。したがって、混合エントロピーは一般的に正です。混合物の成分は、より大きな共通体積を共有することによってエントロピーを増加させることができます。

相分離は、いくつかの異なるプロセスによって促進されます。1つは、混合エンタルピーが正で温度が低い場合です。この場合、エントロピーの増加は自由エネルギーを下げるのに不十分です。もう1つは、はるかにまれなケースですが、混合エントロピーが「不利」、つまり負の場合です。この場合、エンタルピーの変化が負であっても、温度が十分に低くない限り相分離は起こります。この2番目のケースが、下限臨界溶解温度という概念を生み出したのです。

ある温度範囲と濃度において、 2つのヘリウム同位体（ヘリウム3とヘリウム4 ）の混合物は分離する。2つの同位体の初期混合物は自発的に分離し、${\displaystyle {\ce {^{4}彼}}}$豊富で${\displaystyle {\ce {{}^3He}}}$相分離は超低温ガス系にも存在する。^{[ 4 ]} 2成分超低温^フェルミガスの場合に実験的に示されている。^{[ 6 ] [ 7 ]相分離は、}渦格子形成やエキゾチックなフルデ・フェレル・ラーキン・オフチンニコフ相などの他の現象と競合する可能性が^ある。^{[ 8 ]}

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