3. Диаграммы состояния общая характеристика

Диаграмма состояния вещества или смеси веществ показывает, какие фазы находятся в равновесии при данных параметрах системы: p, V, Т и x, где x – это одно или несколько веществ (независимых компонентов). Независимыми компонентами называются индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной равновесной системы.

Так, в двухфазной системе «вода – лед» один компонент – H₂O ; а кристаллы хлорида натрия в контакте с насыщенным водным раствором этой соли и пар над раствором представляют систему трехфазную (кристаллы, раствор, пар), но двухкомпонентную (NaCl и H₂O ). В последнем примере компонентами не могут быть ионы: H₃O⁺, Na , ⁺ Cl ⁻ и др., т.к. компонент – это химически однородное вещество, которое можно выделить из системы, и оно будет существовать в изолированном виде длительное время.

Однокомпонентная система

Диаграмма состояния однокомпонентной системы, например, воды (рис. 7) отражает зависимость ее агрегатного состояния от температуры и давления, т.е. каждая точка диаграммы отвечает определенному состоянию системы при данных давлении и температуре. Так, кривые AB, AC и AD делят диаграмму на поля: I (его точки отражают твердое состояние воды), II (жидкое состояние) и III (газообразное состояние воды).

Кривая АВ, разделяющая поля твердой и газообразной фаз, соответствует рав-

Она показывает изменение давления насыщенного пара над твердой фазой в зависимости от температуры и называется кривой возгонки. (Интенсивная возгонка вещества наблюдается при нагревании в том случае, если давление насыщенного пара над твердой фазой вещества равно внешнему давлению.)

Кривая АС отражает равновесное со-

_T’ Т стояние между жидкой и газообразной фазами вещества и показывает зависимость

Рис. 7. Диаграмма состояния воды давления насыщенного пара над жидкостью от температуры. Эта линия называется

кривой кипения, т.к. она определяет температуру кипения вещества при заданном внешнем давлении (жидкость кипит при нагревании, если давление пара над жидкостью равно внешнему). Например, под внешним давлением p' жидкость закипит при нагревании до температуры Т' (рис. 7).

Кривая АД характеризует равновесие между твердой и жидкой фазами вещества и называется кривой плавления⁹². Используя ее, определяют температуру плавления (т.пл.) вещества при данном внешнем давлении.

При этом возможны два случая:

1). Если при плавлении происходит уменьшение объема конденсированной фазы, то при повышении внешнего давления в соответствии с принципом Ле Шателье происходит снижение т.пл. (Это же видно по диаграмме состояния воды, поскольку кривая АД образует тупой угол с осью абсцисс.) Например, при повышении атмосферного давления с 4,58 мм до 760 мм рт.ст. (1 атм.) температура плавления воды понижается с 0,0098⁰C до 0⁰С. К веществам, имеющим аналогичные диаграммы, относятся также галлий, висмут, некоторые сорта чугуна.

2). Для большинства веществ при плавлении объем конденсированной фазы увеличивается и поэтому, чем выше внешнее давление, тем больше т.пл. Например, для бензола, олова, свинца при повышении давления на 1 атмосферу температура плавления возрастает соответственно на 0,0285⁰, 0,0033⁰, 0,0038⁰C.

Кривые АВ, АС и АД пересекаются в точке A, которая называется тройной точкой, ибо в ней находятся в равновесии три фазы: твердая, жидкая и газообразная. Для каждого вещества тройной точке соответствуют вполне определенные условия, например, для воды t=0,0098⁰C и p=4,579 мм рт.ст., для оксида углерода(IV) t=-56,6⁰С и p=5,1 атм.