Tabla de Contenidos
状態図は、さまざまな条件下でのシステムの熱力学的平衡のさまざまな状態をグラフィカルに表現したものです。このタイプのグラフを使用すると、特に、特定の条件下で存在する相、および各相が見つかる割合とその組成を、二成分混合物またはより複雑な混合物の場合に予測できます。
相図の種類
単一成分相図（純物質図）
これらの図は、さまざまな値の温度と圧力で純粋な物質を見つけることができる凝集のさまざまな段階または状態を示しています。これらの状態図は、特に固相では非常に複雑になる可能性があり、温度と圧力の条件が、著しく異なる特性を持つ複数の異なる結晶構造の形成に有利に働く可能性があります 。
純物質の相図の典型的な形状を以下に示します。
純物質の典型的な状態図の 2 つの例は、次の図に示す炭素元素とヘリウムの状態図です。非金属である炭素は、さまざまな固体同素体 (グラファイトとダイヤモンド) で発生する可能性があります。また、液体および気体の状態でも発生する可能性があります。ヘリウムの場合、液化しにくい気体です。
二元系の相図（二成分図）
二成分状態図は、2 つの成分で構成される系 (二成分系) で異なる温度または異なる圧力で形成される相を、系の全組成 (通常は X 軸で表される) の関数として表すグラフで構成されます。 .
混合物の特定のコンポーネントに応じて、これらのシステムはさまざまなタイプの状態図を生成できます。これらの図のいくつかでは、純粋な成分の別々の相が異なる凝集状態 (固体、液体、または気体) で形成されますが、他の場合には、両方の成分の均一な相が形成されます。
2 つのバイナリ フェーズ図を以下に示します。前者は共晶混合物を形成する二元系の例ですが、後者はそうではありません。
三元系の相図（三成分図）
これらの図では、三角形は、3 つのコンポーネント間で形成される 3 つの連星系のそれぞれの構成を表すために使用されます。三角形の内側の任意の点は、明確な構成の三元系を表します。
これらの場合、各種の濃度は、モル分率または質量分率(すべての分数の合計が 1 になるようにするため) またはパーセンテージ (合計濃度が常に 100% になるようにするため) として表す必要があります。 ）。
システムの可能な構成ごとに、一定の温度と圧力で、存在する相が示されます。
状態図の作成
状態図の構築プロセスは、理論的に、または実験情報から実行できます。最初のケースでは、熱力学的方程式を使用して、システムの特性とその組成に応じて、システムの平衡状態を計算します (純粋な物質、2 成分混合物、または 3 成分システム)。比較的単純なシステムを除いて、このアプローチはかなり複雑で実行が困難です。
実験的な観点から、状態図の作成に使用される手順は、問題の状態図の種類に関係なく、通常は似ています。ほとんどの場合、求められるのは、その組成やその他の特性の観点から明確に定義された初期状態のシステムから開始することであり、何らかの方法で (肉眼または機器の技術を通じて) 観察されます。)どのフェーズまたは複数のフェーズが存在するか。次に、システムの特性のいくつかを徐々に変化させ、他のすべての特性を一定に保ち、状態の変化と、この状態の変化が発生した条件に注意します。
純物質図の作成
純物質の場合、通常、圧力を設定してから温度を変化させます。これは、ダイアグラム上の対応する圧力の高さで相変化点を表します。次に、圧力を変更し、プロセスを繰り返します。位相変化が発生するポイントの結合と、結果として得られる曲線間の交点により、位相図の構築が可能になり、各曲線の両側の各領域にどの位相が存在するかが示されます。
二分図の作成
バイナリ システムの場合、通常、定義された圧力または温度で 2 つの純粋なコンポーネントから開始し、もう一方の変数 (それぞれ温度または圧力) を変化させます。ここでも、相変化が発生する温度または圧力に注目します。これらの点は、縦軸で表されます。右側のものは純粋なコンポーネントの 1 つを表し、左側のものは他のコンポーネントを表します。
次に、両方の成分の混合物を、それらのモル分率または質量分率 (またはそれらのパーセンテージ) に関して定義された濃度で調製します。各組成 (x 軸にプロット) について、温度または圧力を再び変化させ、以前と同様に相変化に注意してください。
三元図の作成
通常、三元図の手順はもう少し複雑です。場合によっては、図の辺の 1 つに平行に走る混合物を準備することが目的であり、他の場合には垂直に、他の場合には斜めに行われます。これらのツアーのそれぞれには、とりわけ、固定されたバイナリ システムと増加する量の 3 番目のコンポーネントを混合すること、およびその逆を含む、独自の特定の実験的な方法があります。
状態図は何に使用されますか?
相図の適用は、問題の相図の特定のタイプによって異なります。
純物質の相図の有用性
純物質の図の場合、相図は、圧力と温度の関数として、システムがどの相になるかについて明確な情報を提供します。これにより、システムを初期状態から最終状態にさまざまな経路で移行するときに発生する必要があるフェーズ変化を予測することもできます。
一方、このタイプの状態図は、さまざまな圧力での純物質の相変化温度 (または相変化点) を予測することも可能にします。たとえば、沸点と融点が圧力の関数としてどのように変化するかをはっきりと見ることができます。
二成分状態図の有用性
二成分状態図の場合、これらは、圧力を一定に保つ温度、または温度を一定に保つ圧力のいずれかを変化させたときの、さまざまな相、それらの比率、およびそれらの組成に関する情報を提供します。2 次元の図であるため、相変化、各相が存在する割合、および温度と圧力の関数としてのその組成を同時に観察することは一般に不可能です。ただし、さまざまな圧力での温度の関数としてバイナリ状態図を作成すると、この情報を間接的に得ることができます。
二元系の状態図により、2 つの異なる化学物質間で形成される異なる相間の相互作用を調べることができます。これらの相には、異なる状態 (固体と液体など) の両方の成分の純粋な相、または両方の成分を含む均一な相 (合金、溶液、共結晶など) が含まれます。
上記のおかげで、二元状態図は共晶系の識別を可能にします。これは、単一の温度で融解し、2 つの純粋な成分のいずれよりも融点が低い二元系です。さらに、共晶点として知られるこの系の融解温度を決定することができます。これは、溶接などに有用な高強度で低融点の金属合金の識別と設計を可能にするため、さまざまな産業用途で非常に重要です。
三元状態図の有用性
最後に、三元状態図では、三角図を使用して、三元混合物の 3 つの成分が存在する比率を 1 点で同時に表すことができます。これは、これらの図では、三元系に存在する相に対する温度と圧力の影響を観察できず、組成の影響のみを観察できることを意味します。
したがって、三元状態図は主に、成分の 1 つの相対濃度が変化したときに三元系がどのように動作するかを決定するために使用されます。これは、溶媒と 2 つの溶質が混合物中に存在し、三元系を形成するため、異なる溶質を含む 2 つの溶液が混合されている系の研究に役立ちます。
状態図の一部
次の図は、純物質と二元系の相図の部分を説明するために使用されます。
グラフの軸
状態図の種類に応じて、圧力と温度 (最初の図の場合)、1 つの成分のモル分率 (2 番目の図の場合)、または 2 つの成分のモル分率 (3 成分図の場合) を表すことができます。 . )。
相平衡曲線
それらは、相図である相を別の相から分離する曲線です。上の図の純粋な物質の AB、BC、および BD 曲線はすべて相平衡曲線の例であり、2 番目の図の AB および AD 曲線も同様です。
トリプルポイント
純粋な物質のシステムでは、三重点はいくつかの相平衡曲線が一致する点であるため、同時平衡には 3 つの相があります。前の図の最初の図の点 B に対応します。
重要なポイント
最初の図の点 D に対応します。純物質が液体として存在できる最高温度を示します。この温度を超えると、物質は常に気体であり、より高い温度と圧力では超臨界流体のように振る舞います。
共晶点
これは、前の画像のバイナリ ダイアグラムのポイント A に対応します。それは、両方の相が一緒に溶けて、固体状態から液体状態に直接移行し、元の 2 つの固体相のいずれも存在しない点です。この点は、考慮されている二元系の共晶融解温度と共晶組成の両方を示しています。
すべての混合物が共晶混合物を形成するわけではありませんが、合金などの多くは共晶混合物を形成します。
参考文献
Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005 年 1 月 21 日)。熱力学と相図. サイエロ。http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
二元相図. (2014 年 4 月 9 日)。ケミカルゾーン。http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
ロペス、JR (sf)。状態図。フンタ デ アンダルシア。https://www.juntadeandalucia.es/averoes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
材料工学。(2018 年 1 月 20 日)。相図: 意味と種類. エンジニアリング ノート インド。https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010 年 10 月 1 日)。三元図の軌跡。エルゼビア。https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
