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 тепловой анализ: снять кривые остывания незапятнанных компонент и бинарных консистенций различного состава; на основании кривых остывания выстроить диаграмму плавкости и рассматривать Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем ее.

Теоретическая часть

Главные понятия и определения

Анализ диаграмм плавкости осуществляется при помощи 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 именуется гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем поверхностью раздела, на которой скачком меняются какие-либо характеристики.

Компонентом именуется такая часть системы, содержание которой не находится в зависимости от содержания других частей. Составляющие могут быть выделены из системы и существовать вне ее. Смесь газов является однофазовой, но многокомпонентной системой. Вода, лед также являются однофазовыми, но однокомпонентными системами, потому что водород Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем и кислород в их входят в определенных соотношениях: количество 1-го находится в зависимости от количества другого. Число компонент системы - это меньшее число составных частей, достаточное для образования всех фаз системы.

Число степеней свободычисло независящих переменных (температура, давление, концентрация), которые можно изменять в неких границах так, чтоб Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем число и природа фаз оставались прежними. Если число степеней свободы равно нулю (инвариантная система), то нельзя изменять наружные и внутренние причины системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтоб это не вызывало конфигурации числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то может быть изменение в неких границах Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем 1-го из перечисленных характеристик, и это не вызовет уменьшения либо роста числа фаз.

Правило фаз Гиббса

Является законом фазового равновесия. Оно представляет собой математическое выражение критерий равновесия системы, другими словами указывает количественную зависимость меж числом степеней свободы системы (С), числом независящих компонент (К) и числом фаз (Ф). Если на равновесие Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем в системе оказывает влияние n наружных причин, то правило фаз Гиббса запишется последующим образом:

С = К – Ф + n (1)

Из уравнения (1) следует, что число степеней свободы (С) увеличивается с повышением числа независящих компонент (К) и миниатюризируется при росте числа фаз (Ф). Для однокомпонентной (К = 1) системы при изменении 2-ух наружных причин температуры и давления Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем (n = 2), наибольшее количество фаз равно трем (жесткая, водянистая и газообразная).

Правило фаз Гиббса для однокомпонентной системы: в сбалансированной термодинамической системе, на которую из наружных причин влияют только температура и давление, число термодинамических степеней свободы равно числу компонент минус число фаз плюс два.

Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Диаграмма состояния Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем - графическое изображение зависимости какого-нибудь характеристики системы от ее состава. Диаграммы состояния строят по экспериментальным данным в координатах температура – состав. Они обширно используются при исследовании разных минералов, силикатных систем, горных пород, железных сплавов, аква смесей солей и др.

К главным типам диаграмм состояния двухкомпонентных конденсированных систем относятся:

· диаграмма с Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем обычной эвтектикой;

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

· диаграмма с образованием неуравновешенного хим соединения (инконгруэнтно плавящегося);

· диаграмма с неограниченной обоюдной растворимостью компонент в жестком состоянии;

· диаграмма с ограниченной растворимостью компонент в жестком состоянии (I и II вида);

· диаграмма с ограниченной обоюдной растворимостью компонент в водянистом состоянии.

Для таких Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем систем при р = const, правило фаз Гиббса имеет вид:

С = 3 - Ф

2.3.1. Диаграмма состояния системы с эвтектикой

Является более обычной диаграммой состояния, в какой составляющие неограниченного смешиваются вместе в водянистом состоянии. Но совсем не смешиваются в жестком состоянии, химически не ведут взаимодействие вместе и не образуют жестких смесей.

Диаграмма состояния системы с Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем обычной эвтектикой для компонент А и В схематически представлена на рис.1.

Рис.1. Диаграмма состояния с эвтектикой

ТАЕ – линия ликвидуса (любая точка на полосы указывает состав расплава, который находится в равновесии с кристаллами А);

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

FEG – линия солидуса (линия эвтектики);

Разглядим процесс остывания Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем расплава, данного точкой М.

Точка Что происходит Ф С Что значит число степеней свободы
М Остывание расплава Можно поменять температуру и состав расплава
а Возникают 1-ые кристаллы компонента А Можно поменять только температуру
b Продолжают выпадать кристаллы компонента А, состав расплава b1, состав жесткой фазы b2 Можно Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем поменять либо температуру либо состав расплава
d Сразу кристаллизуются составляющие А и В, на кривой остывания участок d-d’ Система инвариантна
e Остывание механической консистенции компонента А состава е2 и компонента В состава е1 Можно поменять только температуру

Соотношение меж количеством жесткой и водянистой фаз определяется по правилу рычага. К Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем примеру, смесь в точке b соответствует исходному составу 40% А и 60% В, то при температуре Та она представляет собой гетерогенную систему из кристаллов вещества А и водянистой фазы. Для определения состава этих фаз проводят горизонталь b2b1 через точку b до скрещения с границами области (длина рычага). Найти количество кристаллической Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем фазы и водянистого расплава можно по соотношению:

2.3.2. Фазовая диаграмма с конгруэнтно плавящимся хим соединением

Если составляющие А и В образуют одно устойчивое хим 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 водянистой Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем фазы. В случае, если максимум на диаграмме имеет острую форму, хим соединение АхВy стабильно при плавлении; если максимум «пологий», то хим соединение отчасти диссоциирует при плавлении.

Как видно из рис.2, фазовая диаграмма представляет собой вроде бы две диаграммы с обычный эвтектикой: А-АВ и В-ВА. Можно поделить такую диаграмму на две Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем части по вертикали, соответственной хим соединению, и рассматривать каждую часть диаграммы раздельно.

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

Состав хим соединения АхВy в точке Д можно найти, зная состав соединения в молекулярных либо массовых процентах.

А).Состав компонент А и В Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем выражен в мольных процентах:

, состав хим соединения А2В3;

, состав хим соединения АВ .

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

, состав хим соединения АВ2 .

Разглядим процесс остывания расплава, данного точками М1 и М2. Точка М1 отвечает составу конгруэнтно плавящегося хим соединения АхВy. Число независящих компонент системы, образованных из 1-го Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем хим соединения АхВy, равно единице и число степеней свободы в данном случае равно: С=К – Ф + 1 = 1 – Ф + 1 = 2 - Ф.

Точка Что происходит Ф С Что значит число степеней свободы
М1 Остывание расплава Можно поменять только температуру
Д Возникают 1-ые кристаллы компонента АхВy Система инвариантна
F Охлаждается жесткая фаза хим соединения АхВy Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем Можно поменять только температуру

Разглядим процесс остывания расплава, данного точкой М2.

М2 Остывание расплава Можно поменять температуру и состав расплава
а Возникают 1-ые кристаллы компонента АхВy Можно поменять только температуру
b Кристаллизуются компонент А и хим соединение АхВy Система инвариантна
с Остывание механической консистенции А и АхВy Можно поменять только Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем температуру

2.3.3. Фазовая диаграмма с инконгруэнтно плавящимся хим соединением

Диаграмма, когда составляющие А и В могут создавать хим соединение АхВy, плавящееся с разложением, т.е. инконгруэнтно, приведена на рис.3.

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

Инконгруэнтно плавящееся хим соединение АхВy стабильно только ниже температуры Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем Тc. При повышении температуры выше Тc хим 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 Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем нулю (С = 3 - Ф = 3 - 3 = 0), что показывает на всепостоянство температуры Тс и состава расплава. Чтоб состав расплава не изменялся, сразу с кристаллизацией АхВy ранее выпавшие кристаллы компонента В должны растворяться, поддерживая неизменным содержание компонента В в расплаве. При всем этом происходит перитектическое перевоплощение: Lc + В АхВy.

Точка С именуется точкой перитектики, температура Тс - температурой Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем перитектики. В точке перитектики, так же как и в точке эвтектики, в равновесии находятся расплав и две твердые фазы. Но процессы при охлаждении значительно различаются: в точке эвтектики сразу кристаллизуются две твердые фазы, а в точке перитектики – одна жесткая фаза кристаллизуется, а другая растворяется. На кривой Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем остывания при Тс наблюдается горизонтальный участок b-b’.

Разглядим процесс остывания расплава, данного точкой М.

Точка Что происходит Ф С Что значит число степеней свободы
М Остывание расплава Можно поменять температуру и состав расплава
а Возникают 1-ые кристаллы компонента В Можно поменять либо температуру либо состав расплава
b Начинается кристаллизация хим. соединения АхВy Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем, ранее выпавшие кристаллы компонента В растворяются, на кривой остывания горизонтальный участок b-b’ Система инвариантна
с Длится кристаллизация АхВy из расплава Можно поменять либо температуру либо состав расплава
d Кристаллизуются компонент А и хим соединение АхВy, на кривой остывания горизонтальный участок d-d’ Система инвариантна
е Остывание механической Фазовые диаграммы состояния двухкомпонентных систем консистенции А и АхВy Можно поменять только температуру

Экспериментальная часть


farmacevticheskij-fakultet.html
farmakodinamika-i-farmakokinetika-lekarstvennih-sredstv-referat.html
farmakoepidemiologicheskie-i-geneticheskie-aspekti-hronicheskoj-serdechnoj-nedostatochnosti-na-fone-arterialnoj-gipertenzii-14-03-06-farmakologiya-klinicheskaya-farmakologiya.html