4. Фазові рівноваги в двокомпонентних системах. Діаграми плавкості. Правило важеля

Двокомпонентні системи можуть бути представлені механічними сумішами і розчинами. Оскільки в механічних сумішах речовини поводяться незалежно одна від одної, то діаграми стану для механічних сумішей не будують. Для розчинів діаграми стану відображають залежність тих або інших властивостей розчину від складу і температури. Окремий випадок таких діаграм (діаграми плавкості) використовується для оцінки фазових рівноваг при різних температурах для різних за складом розчинів. На цих діаграмах наносяться характерні температурні точки, які відповідають початку або завершенню процесів твердіння у разі пониження температури або, навпаки, появі нових порцій рідини і повному розплавленню, – в разі підвищення температури.

Розглянемо діаграму плавкості двокомпонентної системи з простою евтектикою.

Речовини в твердому вигляді можуть утворювати обмежені тверді розчини: - на основі речовини А

- на основі речовини В

Межа розчинності речовини А в показана у вигляді кривих праворуч від області розчину; межа розчинності речовини В в –це криві зліва від заштрихованої області.

Лінія ліквідус – це сукупність температурних крапок, вище яких система стає рідиною .

Лінія солідус – це сукупність температурних точок, нижче яких система повністю твердне, або вище яких з'являються перші порції рідини Т₅.

Таким чином, з діаграми видно, що всі складні системи плавляться або тверднуть не при певній температурі, як чисті речовини, а в інтервалі температур, протяжність якого залежить від складу системи.

На діаграмі а точці 1 відповідає однорідна рідина певного складу. При охолоджуванні в інтервалі температур від до жодних фазових перетворень не відбувається, знижується лише температура рідини, і, відповідно, зміняються фізико-хімічні властивості рідини та її компонентів. При температурі настає насичення вихідного розчину і з нього з'являється нова фаза. В даному випадку, це кристали твердого розчину. Аби нова фаза була стійкою, необхідне деяке переохолодження (нижче ), тоді зародки нової фази стають стійкими, а рідина, в якій вони з'явилися, змінює свій склад. При температурі в рівновазі будуть знаходиться кристали твердого розчину складу точки 2 і рідина складу точки 3. Концентрацію речовин в кожній фазі визначаємо по осі складу діаграми, для чого проектуємо на ній точки 2 і 3. Знижуючи температуру, отримуємо для кожного конкретного випадку відповідні фазові рівноваги. Так, при в рівновазі знаходяться кристали складу точки 4 і рідина складу точки 5. Коли температура досягає рідина набуває складу точки Е. Ця рідина отримала назву евтектичної, її головною властивістю є те, що з цієї рідини при охолоджуванні завжди утворюються дві нові фази з середнім складом, що відповідає точці Е. Процес твердіння такої рідини відбувається як в чистих речовинах, при постійній температурі. З евтектичної рідини в нашому випадку при Т одночасно виділяються механічна суміш твердих кристалів та .

При всіх температурах нижче в рівновазі знаходитимуться один з одним лише кристали різних за складом фаз.

За діаграмою плавкості можна визначити масу рівноважних фаз і знаючи їх процентний склад, можна здійснити матеріальний баланс на будь-якій із стадій охолоджування або нагріву. При цьому застосовують, так зване правило “важеля” (правило відрізків).

Для виведення правила важеля складемо рівняння матеріального балансу. Матеріальний баланс за компонентом В полягає в наступному:

EMBED Equation.DSMT4

Перетворимо рівняння до вигляду:

звідки отримаємо:

В результаті або

звідки отримаємо:

Рівняння (1) дозволяє визначити співвідношення між масами рівноважних фаз. Аби знати абсолютну масу, необхідно знати m_исх.,, тоді:

Таким чином, бачимо, якщо розглядати рідину точки б, то її масі пропорційний відрізок АО, якщо розглядати кристали точки а – то відрізок об.

Величина відрізків ао і об вимірюють лінійкою на діаграмі стану, враховуючи склад вихідної рідини і температуру.