Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем





Димитровградский инженерно-технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ

Кафедра радиохимии


Диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Методические указания

к лабораторной работе по курсу физической химии

 

 

Составитель: доц., к.т.н. Цимбалюк Е.П.

 

 

Димитровград 2012

 

1. Цель работы:освоить термический анализ: снять кривые охлаждения чистых компонентов и бинарных смесей различного состава; на основании кривых охлаждения построить диаграмму плавкости и анализировать ее.

Теоретическая часть

Основные понятия и определения

Анализ диаграмм плавкости осуществляется с помощью правила фаз Гиббса, которое опирается на понятия “фаза, компонент, степень свободы”.

Правило фаз основано на втором законе термодинамики и относится к системам, находящимся в состоянии термодинамического равновесия.

Фазой называется гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, на которой скачком изменяются какие-либо свойства.

Компонентом называется такая часть системы, содержание которой не зависит от содержания других частей. Компоненты могут быть выделены из системы и существовать вне ее. Смесь газов является однофазной, но многокомпонентной системой. Вода, лед также являются однофазными, но однокомпонентными системами, так как водород и кислород в них входят в определенных соотношениях: количество одного зависит от количества другого. Число компонентов системы - это наименьшее число составных частей, достаточное для образования всех фаз системы.

Число степеней свободычисло независимых переменных (температура, давление, концентрация), которые можно изменять в некоторых пределах так, чтобы число и природа фаз оставались прежними. Если число степеней свободы равно нулю (инвариантная система), то нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызывало изменения числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах одного из перечисленных параметров, и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

Правило фаз Гиббса

Является законом фазового равновесия. Оно представляет собой математическое выражение условий равновесия системы, то есть показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы (С), числом независимых компонентов (К) и числом фаз (Ф). Если на равновесие в системе влияет n внешних факторов, то правило фаз Гиббса запишется следующим образом:

С = К – Ф + n (1)

Из уравнения (1) следует, что число степеней свободы (С) возрастает с увеличением числа независимых компонентов (К) и уменьшается при росте числа фаз (Ф). Для однокомпонентной (К = 1) системы при изменении двух внешних факторов температуры и давления (n = 2), максимальное количество фаз равно трем (твердая, жидкая и газообразная).

Правило фаз Гиббса для однокомпонентной системы: в равновесной термодинамической системе, на которую из внешних факторов оказывают влияние только температура и давление, число термодинамических степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два.

 

Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Диаграмма состояния - графическое изображение зависимости какого-либо свойства системы от ее состава. Диаграммы состояния строят по экспериментальным данным в координатах температура – состав. Они широко применяются при изучении различных минералов, силикатных систем, горных пород, металлических сплавов, водных растворов солей и др.

К основным типам диаграмм состояния двухкомпонентных конденсированных систем относятся:

· диаграмма с простой эвтектикой;

· диаграмма с образованием устойчивого химического соединения (конгруэнтно плавящегося);

· диаграмма с образованием неустойчивого химического соединения (инконгруэнтно плавящегося);

· диаграмма с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии;

· диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (I и II вида);

· диаграмма с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в жидком состоянии.

Для таких систем при р = const, правило фаз Гиббса имеет вид:

С = 3 - Ф

2.3.1. Диаграмма состояния системы с эвтектикой

Является наиболее простой диаграммой состояния, в которой компоненты неограниченного смешиваются друг с другом в жидком состоянии. Однако совершенно не смешиваются в твердом состоянии, химически не взаимодействуют друг с другом и не образуют твердых растворов.

Диаграмма состояния системы с простой эвтектикой для компонентов А и В схематически представлена на рис.1.

Рис.1. Диаграмма состояния с эвтектикой

ТАЕ – линия ликвидуса (каждая точка на линии показывает состав расплава, который находится в равновесии с кристаллами А);

ТВЕ – линия ликвидуса (в равновесии с кристаллами В);

FEG – линия солидуса (линия эвтектики);

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, заданного точкой М.

Точка Что происходит   Ф С Что означает число степеней свободы
М Охлаждение расплава Можно менять температуру и состав расплава
а Появляются первые кристаллы компонента А Можно менять только температуру
b Продолжают выпадать кристаллы компонента А, состав расплава b1, состав твердой фазы b2 Можно менять или температуру или состав расплава
d Одновременно кристаллизуются компоненты А и В, на кривой охлаждения участок d-d Система инвариантна
e Охлаждение механической смеси компонента А состава е2 и компонента В состава е1 Можно менять только температуру

Соотношение между количеством твердой и жидкой фаз определяется по правилу рычага. Например, смесь в точке b соответствует начальному составу 40% А и 60% В, то при температуре Та она представляет собой гетерогенную систему из кристаллов вещества А и жидкой фазы. Для определения состава этих фаз проводят горизонталь b2b1 через точку b до пересечения с границами области (длина рычага). Определить количество кристаллической фазы и жидкого расплава можно по соотношению:

2.3.2. Фазовая диаграмма с конгруэнтно плавящимся химическим соединением

Если компоненты А и В образуют одно устойчивое химическое соединение состава АхВy, плавящееся без разложения, то на диаграмме состояния кривая ликвидуса образует максимум в точке Д (рис.2). В этой точке состав кристаллической фазы совпадает с составом жидкой фазы. В случае, если максимум на диаграмме имеет острую форму, химическое соединение АхВy устойчиво при плавлении; если максимум «пологий», то химическое соединение частично диссоциирует при плавлении.

Как видно из рис.2, фазовая диаграмма представляет собой как бы две диаграммы с простой эвтектикой: А-АВ и В-ВА. Можно разделить такую диаграмму на две части по вертикали, соответствующей химическому соединению, и рассматривать каждую часть диаграммы отдельно.

 

 

Рис.2. Диаграмма состояния системы с образованием химического соединения, плавящимся без разложения (конгруэнтно)

Состав химического соединения АхВy в точке Д можно определить, зная состав соединения в молекулярных или массовых процентах.

А).Состав компонентов А и В выражен в мольных процентах:

, состав химического соединения А2В3;

, состав химического соединения АВ .

Б).Состав компонентов А и В выражен в массовых процентах:

, состав химического соединения АВ2 .

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, заданного точками М1 и М2. Точка М1 отвечает составу конгруэнтно плавящегося химического соединения АхВy. Число независимых компонентов системы, образованных из одного химического соединения АхВy, равно единице и число степеней свободы в этом случае равно: С=К – Ф + 1 = 1 – Ф + 1 = 2 - Ф.

Точка Что происходит   Ф С Что означает число степеней свободы
М1 Охлаждение расплава Можно менять только температуру
Д Появляются первые кристаллы компонента АхВy Система инвариантна
F Охлаждается твердая фаза химического соединения АхВy Можно менять только температуру

 

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, заданного точкой М2.

М2 Охлаждение расплава Можно менять температуру и состав расплава
а Появляются первые кристаллы компонента АхВy Можно менять только температуру
b Кристаллизуются компонент А и химическое соединение АхВy Система инвариантна
с Охлаждение механической смеси А и АхВy Можно менять только температуру

2.3.3. Фазовая диаграмма с инконгруэнтно плавящимся химическим соединением

Диаграмма, когда компоненты А и В могут образовывать химическое соединение АхВy, плавящееся с разложением, т.е. инконгруэнтно, приведена на рис.3.

 

Рис.3. Диаграмма состояния системы с образованием химического соединения, плавящимся с разложением (инконгруэнтно)

Инконгруэнтно плавящееся химическое соединение АхВy устойчиво только ниже температуры Тc. При повышении температуры выше Тc химическое соединение распадается на две фазы: кристаллы компонента В и расплав состава y (точка С). На перитектической прямой СДТc в равновесии находятся три фазы:

- расплав состава точки С ( CL );

- кристаллы АхВy состава точки Д;

- кристаллы компонента В.

По правилу фаз Гиббса число степеней свободы в точке С равно нулю (С = 3 - Ф = 3 - 3 = 0), что указывает на постоянство температуры Тс и состава расплава. Чтобы состав расплава не менялся, одновременно с кристаллизацией АхВy ранее выпавшие кристаллы компонента В должны растворяться, поддерживая постоянным содержание компонента В в расплаве. При этом происходит перитектическое превращение: Lc + В АхВy.

Точка С называется точкой перитектики, температура Тс - температурой перитектики. В точке перитектики, так же как и в точке эвтектики, в равновесии находятся расплав и две твердые фазы. Однако процессы при охлаждении существенно различаются: в точке эвтектики одновременно кристаллизуются две твердые фазы, а в точке перитектики – одна твердая фаза кристаллизуется, а другая растворяется. На кривой охлаждения при Тс наблюдается горизонтальный участок b-b’.

Рассмотрим процесс охлаждения расплава, заданного точкой М.

Точка Что происходит   Ф С Что означает число степеней свободы
М Охлаждение расплава Можно менять температуру и состав расплава
а Появляются первые кристаллы компонента В Можно менять или температуру или состав расплава
b Начинается кристаллизация хим. соединения АхВy, ранее выпавшие кристаллы компонента В растворяются, на кривой охлаждения горизонтальный участок b-b Система инвариантна
с Продолжается кристаллизация АхВy из расплава Можно менять или температуру или состав расплава
d Кристаллизуются компонент А и химическое соединение АхВy, на кривой охлаждения горизонтальный участок d-d Система инвариантна
е Охлаждение механической смеси А и АхВy Можно менять только температуру

 

 

Экспериментальная часть





Читайте также:
Роль языка в формировании личности: Это происходит потому, что любой современный язык – это сложное ...
Этапы развития человечества: В последние годы определенную известность приобрели попытки...
Восстановление элементов благоустройства после завершения земляных работ: Края асфальтового покрытия перед его восстановлением должны...
Отчет по производственной практике по экономической безопасности: К основным функциональным целям на предприятии ООО «ХХХХ» относятся...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.015 с.