Tabla de Contenidos
Et fasediagram er en grafisk representasjon av de forskjellige tilstandene av termodynamisk likevekt i et system under forskjellige forhold. Denne typen grafer lar oss blant annet forutsi fasene som er tilstede under visse forhold, samt proporsjonen som hver fase finnes i og dens sammensetning, i tilfelle av binære blandinger eller mer komplekse blandinger .
Typer fasediagrammer
Enkeltkomponentfasediagrammer (diagrammer over rene stoffer)
Disse diagrammene viser de forskjellige fasene eller aggregeringstilstandene der et rent stoff kan finnes ved forskjellige verdier av temperatur og trykk. Disse fasediagrammene kan bli svært komplekse, spesielt i fast fase, hvor temperatur- og trykkforhold kan favorisere dannelsen av flere forskjellige krystallstrukturer med markant forskjellige egenskaper .
Den typiske formen til et fasediagram for et rent stoff er vist nedenfor:
To eksempler på typiske fasediagrammer av et rent stoff er de av elementært karbon og helium, som er vist i følgende figur. Karbon , et ikke-metall , kan forekomme i forskjellige faste allotroper (grafitt og diamant); Det kan også forekomme i flytende og gassformig tilstand. Når det gjelder helium er dette en gass som ikke lett kan gjøres flytende.
Fasediagrammer av binære systemer (to-komponent diagrammer)
Binære fasediagrammer består av en grafisk representasjon av fasene som dannes ved forskjellige temperaturer eller ved forskjellige trykk i et system som består av to komponenter (binært system) som en funksjon av den totale sammensetningen av systemet (vanligvis representert på X-aksen) .
Avhengig av de spesielle komponentene i blandingen, kan disse systemene gi opphav til forskjellige typer fasediagrammer. I noen av disse diagrammene dannes separate faser av de rene komponentene i forskjellige aggregeringstilstander (fast, flytende eller gass), mens det i andre tilfeller dannes homogene faser av begge komponentene.
To binære fasediagrammer er vist nedenfor. Førstnevnte er et eksempel på et binært system som danner en eutektisk blanding, mens sistnevnte ikke gjør det.
Fasediagrammer av ternære systemer (diagrammer av tre komponenter)
I disse diagrammene brukes en trekant for å representere, på hver side, sammensetningen av hvert av de tre binære systemene som kan dannes mellom tre komponenter. Ethvert punkt inne i trekanten representerer et ternært system med bestemt sammensetning.
I disse tilfellene bør konsentrasjonen av hver art representeres, enten som en molfraksjon eller massefraksjon (for å sikre at alle fraksjoner summerer til 1) eller som en prosentandel (for å sikre at den totale konsentrasjonen alltid summerer seg til 100%). ).
For hver mulig sammensetning av systemet, ved en fast temperatur og trykk, vises fasen eller fasene som er tilstede.
Konstruksjon av et fasediagram
Prosessen med å bygge et fasediagram kan utføres enten teoretisk eller fra eksperimentell informasjon. I det første tilfellet brukes termodynamiske ligninger for å beregne likevektstilstanden til et system (det være seg et rent stoff, en binær blanding eller et ternært system) avhengig av systemets egenskaper og dets sammensetning. Bortsett fra relativt enkle systemer, er denne tilnærmingen betydelig kompleks og vanskelig å gjennomføre.
Fra et eksperimentelt synspunkt er prosedyrene som brukes for å bygge fasediagrammer vanligvis like, uavhengig av hvilken type fasediagram det er snakk om. I de fleste tilfeller er det som søkes å starte fra et system i en initial tilstand godt definert med tanke på dets sammensetning og andre egenskaper, og det observeres på en eller annen måte (med det blotte øye eller gjennom instrumentelle teknikker). hvilken eller hvilke faser som er tilstede. Varier deretter gradvis noen av egenskapene til systemet, hold alle andre egenskaper konstante, og legg merke til enhver tilstandsendring og forholdene som denne tilstandsendringen skjedde under.
Konstruksjon av diagrammer over rene stoffer
Når det gjelder rene stoffer , settes vanligvis et trykk og deretter varieres temperaturen, som representerer faseendringspunktene på høyden av det tilsvarende trykket på diagrammet. Deretter endres trykket og prosessen gjentas. Sammenslåingen av punktene der faseendringene skjer og skjæringspunktene mellom de resulterende kurvene tillater konstruksjonen av fasediagrammet, som indikerer i hvert område på hver side av hver kurve hvilken fase som er tilstede.
Konstruksjon av binære diagrammer
Når det gjelder binære systemer, starter man normalt med de to rene komponentene ved et definert trykk eller temperatur og varierer den andre variabelen (henholdsvis temperatur eller trykk), og merker igjen temperaturen eller trykket som en faseendring skjer ved. Disse punktene er representert på de vertikale aksene. Den til høyre representerer en av de rene komponentene og den til venstre den andre.
Deretter fremstilles blandinger av begge komponentene med konsentrasjoner definert i form av deres mol eller massefraksjon (eller deres prosentandeler). For hver komposisjon (plottet på x-aksen) endre igjen temperaturen eller trykket og merk faseendringene som før.
Konstruksjon av ternære diagrammer
Prosedyren for ternære diagrammer er vanligvis litt mer kompleks. I noen tilfeller er målet å tilberede blandinger som går parallelt med en av sidene i diagrammet, i andre tilfeller gjøres det vinkelrett og i andre tilfeller diagonalt. Hver av disse turene har sin egen spesielle eksperimentelle måte å oppnås på, inkludert blanding av et fast binært system med økende mengder av den tredje komponenten og omvendt, blant andre.
Hva brukes fasediagrammer til?
Anvendelsen av fasediagrammer avhenger av den aktuelle type fasediagram.
Nytte av fasediagrammer av rene stoffer
Ved diagrammer over rene stoffer gir fasediagrammet oss klar informasjon om i hvilken fase systemet vil være som funksjon av trykk og temperatur. Takket være dette lar det oss også forutsi faseendringene som må skje når vi tar et system fra en initial tilstand til en endelig gjennom forskjellige baner.
På den annen side gjør denne typen fasediagrammer det også mulig å forutsi faseendringstemperaturene (eller faseendringspunktene) til et rent stoff ved forskjellige trykk. For eksempel kan vi tydelig se hvordan koke- og smeltepunktene endres som funksjon av trykk.
Nytte av binære fasediagrammer
Når det gjelder binære fasediagrammer, gir disse informasjon om de forskjellige fasene, deres proporsjoner og deres sammensetning når vi varierer, enten temperaturen holder trykket konstant, eller trykket holder temperaturen konstant. Siden de er todimensjonale diagrammer, er det generelt ikke mulig å observere faseendringer, proporsjonene som hver fase er tilstede i, og dens sammensetning som funksjon av temperatur og trykk samtidig. Imidlertid kan konstruksjonen av binære fasediagrammer som funksjon av temperatur ved forskjellige trykk gi oss denne informasjonen indirekte.
Fasediagrammer av binære systemer lar oss studere interaksjonene mellom de ulike fasene som kan dannes mellom to ulike kjemiske stoffer. Disse fasene kan inkludere rene faser av begge komponentene i forskjellige tilstander (fast og flytende, for eksempel) eller homogene faser som inneholder begge komponentene (som legeringer, løsninger, kokrystaller, etc.).
Takket være det ovennevnte, tillater binære fasediagrammer identifikasjon av eutektiske systemer, som er binære systemer som smelter ved en enkelt temperatur og hvis smeltepunkt er lavere enn for en av de to rene komponentene. I tillegg tillater de bestemmelse av smeltetemperaturen til dette systemet, kjent som det eutektiske punktet. Dette er svært viktig i ulike industrielle applikasjoner, da det tillater identifisering og design av høyfaste, lavtsmeltende metallegeringer som er nyttige for eksempel ved sveising.
Nytte av ternære fasediagrammer
Til slutt, i ternære fasediagrammer, brukes et trekantdiagram for samtidig å kunne representere på ett punkt proporsjonene som de tre komponentene i en ternær blanding finnes i. Dette betyr at vi i disse diagrammene ikke kan observere effekten av temperatur og trykk på fasen(e) som er tilstede i det ternære systemet, men kun effekten av sammensetningen.
Derfor brukes et ternært fasediagram hovedsakelig for å bestemme hvordan et ternært system oppfører seg når den relative konsentrasjonen av en av komponentene varierer. Dette er nyttig for å studere systemer der to løsninger med forskjellige oppløste stoffer blandes, siden løsningsmidlet og de to løste stoffene vil være tilstede i blandingen, og dermed danne et ternært system.
Deler av et fasediagram
Følgende diagrammer brukes til å beskrive delene av et fasediagram for et rent stoff og et binært system:
Aksene til grafen
Avhengig av type fasediagram, kan disse representere trykk og temperatur (som i tilfellet med det første diagrammet), molfraksjonen av en komponent (som i den andre), eller av to komponenter (som i tilfellet med ternære diagrammer) . ).
Faselikevektskurver
De er kurvene som skiller en fase fra en annen i et fasediagram. AB-, BC- og BD-kurvene i diagrammet ovenfor for et rent stoff er alle eksempler på faselikevektskurver, det samme er AB- og AD-kurvene i det andre diagrammet.
trippelpoeng
I systemer av rene stoffer er trippelpunktet det der flere faselikevektskurver faller sammen, så det er 3 faser i samtidig likevekt. Det tilsvarer punkt B i det første diagrammet i forrige figur.
Kritiske punkter
Det tilsvarer punkt D i det første diagrammet. Den angir den maksimale temperaturen der et rent stoff kan eksistere som væske. Over denne temperaturen er stoffet alltid gassformet og ved høyere temperaturer og trykk oppfører det seg som en superkritisk væske.
eutektiske punkter
Det tilsvarer punkt A i det binære diagrammet til forrige bilde. Det er punktet der begge fasene smelter sammen og går direkte fra fast tilstand til flytende tilstand uten at noen av de to opprinnelige faste fasene forblir til stede. Dette punktet markerer både den eutektiske smeltetemperaturen og den eutektiske sammensetningen for det betraktede binære systemet.
Ikke alle blandinger danner eutektiske blandinger, men mange, for eksempel legeringer, gjør det.
Referanser
Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005, 21. januar). TERMODYNAMIKK OG FASEDIAGRAMMER . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
Binært fasediagram . (2014, 9. april). Kjemisk sone. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
Lopez, JR (sf). Fasediagrammer . Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
Materialteknikk. (2018, 20. januar). Fasediagram: Betydning og typer . Engineering Notes India. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1. oktober). Baner i ternære diagrammer . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
