Диаграмма состояния системы Fe-Fe3c

Примером диаграммы состояния с образованием нескольких твердых растворов может являться диаграмма состояния системы Fe-Fe₃C (рис.3.16). В системе Fe-Fe₃C образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии эвтектического и перетектического типа: феррит, δ-феррит, аустенит.

Рис.3.13. Диаграмма состояния системы Fe-Fe₃C.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулируйте правило фаз Гиббса.

2. Приведите фазовые диаграммы состояния однокомпонентных систем. Что такое тройная точка?

3. Каким образом можно рассчитать тепловой эффект фазового перехода графическим и аналитическим способами?

4. Приведите фазовые диаграммы двухкомпонентных систем.

5. Что такое эвтектика, перитектика, полиморфизм? Приведите примеры.

4. Растворы Общая характеристика растворов

Раствор – это двух- или многокомпонентная гомогенная однофазная система, в которой одно вещество равномерно распределено в среде другого или других веществ.

Растворы могут быть в трех агрегатных состояниях: газовые растворы (смесь газов), жидкие растворы и твердые растворы. Компонент, присутствующий в избытке по сравнению с другими, называют растворителем, остальные компоненты называют растворенными веществами. При растворении в жидкости газов или твердых веществ растворителем всегда является жидкость. Для образования жидкого раствора в качестве растворителя используют воду или органические жидкости (спирты, эфиры, жидкие углеводороды и т.д.).

Исследования жидких растворов показали, что их молекулы располагаются в пространстве не хаотично, а более или менее упорядоченно, то есть имеют так называемую квазикристаллическую структуру, для которой характерен «ближний порядок» расположения молекул (каждая молекула окружена соседними, расположенными в пространстве почти так же, как в кристалле данного вещества). Другой особенностью структуры жидкости является ее статистический характер: из-за беспорядочного теплового движения молекулы взаимно заменяют друг друга. При растворении одного вещества в другом структуры индивидуальных фаз часто меняются, преобразуясь в новую структуру, свойственную данному раствору.

Образование жидких растворов сопровождается процессом сольватации – взаимодействия молекул растворителя с частицами (молекулами, ионами) растворенного вещества. Если растворителем является вода, то подобное взаимодействие называется гидратацией. Совокупность молекул растворителя, окружающих ион, представляет собой сольватную (гидратную) оболочку.

Основным вопросом термодинамической теории растворов является установление зависимости равновесных свойств растворов от состава (концентрации) и свойств его компонентов.

Различные способы выражения концентрации растворов

Одной из важнейших характеристик раствора является его состав (концентрация компонентов), который может быть выражен несколькими способами. В физической химии для выражения состава раствора чаще всего используют: молярную концентрацию, моляльную концентрацию, массовый процент, массовую долю, мольную долю.

Молярная концентрация (молярность) С_i – количество моль растворенного вещества в 1 литре (1 дм³) раствора. Единицы измерения молярности – моль/л или М.

Моляльная концентрация (моляльность) m_i – количество моль растворенного вещества в 1 кг (1000 г) растворителя. Единицы измерения моляльности – моль/1000г или моль/кг.

Массовый процент (процентная концентрация) w_i – количество грамм растворенного вещества в 100 г раствора.

Массовая доля w_i – отношение массы данного компонента к общей массе всех компонентов раствора:

. (4.1)

Мольная доля х_i – отношение количества моль данного компонента к общему количеству моль всех компонентов раствора:

. (4.2)

Пример 4.1. Рассчитайте молярную концентрацию 20% раствора HNO₃ (ρ=1,18 г/см³).

Решение: Запись 20% раствор говорит о том, что 20 г азотной кислоты содержится в 100 г раствора. Для того, чтобы рассчитать молярную концентрацию этого раствора, нужно пересчитать массу кислоты на количество моль, а массу раствора – на объем:

1. ,

2. ,

3. Молярная концентрация 20% раствора HNO₃ составит:

Молярная концентрация 20% раствора азотной кислоты составляет 3,73 моль/л.

Пример 4.2. 80 г хлорида натрия растворили в 1000 г воды. Рассчитайте мольную долю соли в этом растворе.

Решение: Рассчитаем количество моль хлорида натрия и воды в полученном растворе:

1. ,

2. ,

3.

Мольная доля хлорида натрия составляет 0,018.

Пример 4.3. Рассчитайте моляльность 30% водного раствора серной кислоты.

Решение: Запись 30% раствор говорит о том, что 30 г серной кислоты содержится в 100 г ее водного раствора. Для того, чтобы рассчитать моляльную концентрацию этого раствора, нужно пересчитать массу кислоты на количество моль, а массу раствора пересчитать на массу растворителя:

1. ,

2. .

3. Составляем пропорцию:

4.

Моляльная концентрация серной кислоты равна 4,37 моль/кг H₂O.