Двухкомпонентные системы

Изучение взаимодействия веществ в многокомпонентных системах без выделения образующихся продуктов проводится методом физико-химического анализа, сущность которого заключается в исследовании зависимости между численными значениями физических свойств равновесной химической системы и концентрациями компонентов, определяющих состояние равновесия.

На основании изучения физических свойств равновесной системы строятся диаграммы в координатах состав-свойство. По геометрическим особенностям диаграмм, по совокупности линий, поверхностей и т.д. можно наглядно судить не только о химической природе образующихся веществ, но и о числе, границах устойчивости, условиях совместного существования разных фаз в системе.

Основы этого метода заложены Д.И. Менделеевым, Ле-Шателье, Г. Тамманом, всесторонне развиты Н.С. Курнаковым, и нашли широкое применение в производстве стали, других сплавов, в галургии и производстве силикатных материалов.

Рассмотрим двухкомпонентные конденсированные системы, где присутствуют жидкие и твердые фазы. В подобных системах в зависимости от концентрации компонентов и внешних условий наблюдаются изменения физических и химических свойств.

Очень часто для рассмотрения таких сложных систем останавливаются на зависимости температура-состав системы.

Для двухкомпонентной системы правило фаз Гиббса выразится формулой:

С = 2 + 2 – Ф = 4 – Ф,

но в таких системах обычно давление остается постоянным (Р=const) поэтому число свободных переменных становится равным 1 и тогда , т.е. такую диаграмму состояния можно построить на плоскости, выразив зависимость состав-температура.

Такие диаграммы получают методом термического анализа. Сущность этого метода состоит в том, что расплавленную смесь двух веществ охлаждают, измеряя через равные промежутки времени температуру и в координатах время- температура строят кривую охлаждения, используя тот факт, что пока в охлажденной системе не происходит никаких изменений (превращений), температура падает практически с постоянной скоростью. Процессы, сопровождающиеся выделением теплоты (кристаллизация, химические реакции, полиморфные превращения и т.д.) отражаются на кривой охлаждения или изломом (участок с замедленной скоростью охлаждения) или горизонтальными участками с постоянной температурой, что изображено на рис 2.

Рис 2. Типы кривых охлаждения: а – чистое вещество; б – смесь изоморфных веществ; в – смесь неизоморфных веществ.

Характерные точки на кривых охлаждения:

§ кривая а: t_кр – температура кристаллизации чистого вещества

§ кривая б: t₁ – температура начала кристаллизации изоморфной системы, t₂ – температура конца кристаллизации изоморфной системы.

§ кривая в: t₁ – температура начала кристаллизации одного компонента неизоморфной системы, t₂ – температура конца кристаллизации компонента неизоморфной системы, t₂- t₃ – температура начала и конца кристаллизации эвтектической смеси.

Следовательно, всякий излом на кривой охлаждения указывает на начало некоторого превращения.

Чтобы получить диаграмму состояния, вначале экспериментально получают кривые охлаждения для ряда смесей с различной известной концентрацией компонентов А и В и на их основе уже строят диаграмму состояния системы А-В. Для этого на координатную сетку состав-температура наносят все температурные остановки и точки излома на кривых охлаждения, а потом соединяют полученные точки.

Рассмотрим основные диаграммы равновесных двухкомпонентных конденсированных систем.