5.2 Діаграми стану систем, компоненти яких утворюють твердий розчин

Тверді розчини – це гомогенні системи, які перебувають у твердому стані. Вони утворюються, якщо компоненти системи – ізоморфні, тобто мають близьку за своїми параметрами структуру. Тверді розчини бувають двох типів: заміщення або включення. Тверді розчини включення утворюють елементи, атоми яких мають малий діаметр (Ве, В, С). Атоми розташовуються в пустотах між вузлами кристалічних ґраток металу-розчиннику. У твердих розчинах заміщення атоми однієї речовини заміщують у вузлах кристалічних ґраток атоми іншої речовини. Температури плавлення і кристалізації у таких системах співпадають тільки для чистих речовин. Температура плавлення твердого розчину і температура кристалізації розплаву однакових складів відрізняються. На рис. 5.2 приведена фазова діаграма стану системи, компоненти якої А і В утворюють твердий розчин. На осі ординат відкладається температура системи, на осі абсцис – склад системи, тобто мольна частка компоненту В – Х_В.

Верхня лінія кривої АВ, що характеризує залежність температури кристалізації розплаву від його складу, називається лінією ліквідусу. Вище неї на діаграмі розташована область розплаву. Нижня крива АВ, що характеризує залежність температури плавлення твердого розчину від його складу, називається лінією солідусу. Нижче неї розташована область гомогенного твердого розчину. Криві ліквідусу і солідусу сходяться у точках А і В, що є температурами плавлення компонентів. Область, що міститься між лініями солідусу і ліквідусу, відповідає співіснуванню двох фаз – кристалів твердого розчину і рідкого розплаву. Для діаграм стану ізоморфних речовин характерним є плавний характер кривих ліквідусу та солідуса в межах усієї діаграми. Лінії, що з’єднують точки на ліквідусі і солідусі за сталої температури, називаються нодами. Точки перетину ноди з ліквідусом і солідусом характеризують склад розплаву і твердого розчину.

Рисунок 5.2 – Діаграма стану системи, компоненти якої утворюють твердий розчин: 1 – гомогенний твердий розчин; 2 – рідкий розплав+кристали твердого розчину; 3 – рідкий розплав

5.3 Діаграми системи, компоненти якої утворюють евтектику

Р ечовини, що погано розчиняються одна в одній у твердому стані, під час кристалізації їх розплавів часто утворюють суміш дрібних кристалів, яку називають евтектикою. Евтектика характеризується більш низькою температурою плавлення, ніж температури плавлення компонентів, які її утворили. На рис. 5.3. приведена діаграма плавкості такої системи. Точка Е на діаграмі характеризує склад евтектики і називається евтектичною точкою.

Рисунок 5.3 – Діаграма стану системи з простою евтектикою: 1 – гомогенний розплав речовин А і В; 2 – рідкий розплав + кристали В; 3 – рідкий розплав + кристали А; 4 – евтектика + кристали А; 5 – евтектика + кристали В

5.3 Фазові діаграми стану водно-сольових систем

В одні розчини багатьох солей під час замерзання утворюють евтектичні суміші, які називають кріогідратами. Під час кристалізації евтектик кожний з компонентів виділяється окремо, тому затверділа евтектика є двофазною системою. Кріогідрати – дуже дрібні суміші кристаликів солі і льоду.

На рис. 5.4 наведено діаграму стану водно-сольової системи NaCl – H₂O. Евтектична суміш містить 24,4 % NaCl, а температура її замерзання становить –21,2⁰С. Температура плавлення солі набагато вища за температуру танення льоду. Тому на діаграмі права частина гілки ліквідусу, яка характеризує температуру плавлення солі, на практиці не реалізується. Додатковою фазою на діаграмі є кристалогідрат – NaCl2H₂O, який існує за температур нижче 0⁰С і за концентрацій солі в системі більших ніж її вміст в евтектиці.

Рисунок 5.4 – Діаграма стану системи NaCl – H₂O

Кріогідрати застосовують для виготовлення охолоджувальних сумішей – систем з великою теплоємністю і низькою температурою замерзання. Суміші зручні тим, що охолоджені до певної температури вони здатні самочинно підтримувати цю температуру, доки в системі є нерозплавлений лід або дрібні кристали солі. Поступово танучи лід віднімає з навколишнього середовища теплоту, а сіль, розчиняючись у воді, що утворилася з льоду, підтримує в рідкій фазі концентрацію солі, яка відповідає складу евтектики. У табл. 5.1 наведено склад найбільш розповсюджених кріогідратних сумішей.

Таблиця 5.1 – Приблизний склад холодильних водно-сольових сумішей

Сіль	Маса солі на 100 г води, г	Температура, 0С
Натрій ацетат, CH3COONa	85	– 4,70
Амоній хлорид, NH4Cl	30	– 5,10
Натрій нітрит, NaNO2	60	– 13,5
Натрій хлорид, NaCl	33	– 21,0
Кальцій хлорид, CaCl2	143	– 55,0

На лекції надаються приклади визначення температур початку і кінця кристалізації двокомпонентних систем, що утворюють твердий розчин або евтектику, а також приклади розрахунків складу і масу твердої та рідкої частин сплаву в таких системах за допомогою "правила важеля".

3