Definiția diagramei de fază

O diagramă de fază este o reprezentare grafică a diferitelor stări de echilibru termodinamic ale unui sistem în diferite condiții. Acest tip de grafic ne permite să anticipăm, printre altele, fazele care sunt prezente în anumite condiții, precum și proporția în care se găsește fiecare fază și compoziția acesteia, în cazul amestecurilor binare sau amestecurilor mai complexe .

Tipuri de diagrame de fază

Diagrame de fază cu o singură componentă (diagrame substanțe pure)

Aceste diagrame arată diferitele faze sau stări de agregare în care o substanță pură poate fi găsită la diferite valori ale temperaturii și presiunii. Aceste diagrame de fază pot deveni foarte complexe, în special în faza solidă, unde condițiile de temperatură și presiune pot favoriza formarea de mai multe structuri cristaline diferite, cu proprietăți semnificativ diferite .

Forma tipică a unei diagrame de fază pentru o substanță pură este prezentată mai jos:

Două exemple de diagrame de fază tipice ale unei substanțe pure sunt cele de carbon elementar și heliu, care sunt prezentate în figura următoare. Carbonul , un nemetal , poate apărea în diferiți alotropi solizi (grafit și diamant); Poate apărea și în stare lichidă și gazoasă. În cazul heliului, acesta este un gaz care nu poate fi ușor lichefiat.

Diagrame de fază ale sistemelor binare (diagrame cu două componente)

Diagramele binare de fază sunt o reprezentare grafică a fazelor care se formează la diferite temperaturi sau presiuni într-un sistem format din două componente (sistemul binar) în funcție de compoziția totală a sistemului (reprezentată de obicei pe axa X).

În funcție de componentele particulare ale amestecului, aceste sisteme pot da naștere la diferite tipuri de diagrame de fază. În unele dintre aceste diagrame se formează faze separate ale componentelor pure în diferite stări de agregare (solid, lichid sau gazos), în timp ce în alte cazuri se formează faze omogene ale ambelor componente.

Mai jos sunt prezentate două diagrame binare de fază. Primul este un exemplu de sistem binar care formează un amestec eutectic, în timp ce al doilea nu.

Diagrame de fază ale sistemelor ternare (diagrame a trei componente)

În aceste diagrame se folosește un triunghi pentru a reprezenta, pe fiecare parte, compoziția fiecăruia dintre cele trei sisteme binare care se pot forma între trei componente. Orice punct din interiorul triunghiului reprezintă un sistem ternar de compoziție definită.

În aceste cazuri, concentrația fiecărei specii ar trebui să fie reprezentată, fie ca fracție molară sau fracție de masă (pentru a se asigura că toate fracțiile însumează 1), fie ca procent (pentru a se asigura că concentrația totală ajunge întotdeauna la 100%). ).

Pentru fiecare compoziție posibilă a sistemului, la o temperatură și presiune fixe, sunt prezentate faza sau fazele care sunt prezente.

Construirea unei diagrame de fază

Procesul de construire a unei diagrame de fază poate fi realizat fie teoretic, fie din informații experimentale. În primul caz, ecuațiile termodinamice sunt folosite pentru a calcula starea de echilibru a unui sistem (fie el o substanță pură, un amestec binar sau un sistem ternar) în funcție de proprietățile sistemului și de compoziția acestuia. Cu excepția sistemelor relativ simple, această abordare este considerabil complexă și dificil de realizat.

Din punct de vedere experimental, procedurile utilizate pentru construirea diagramelor de fază sunt de obicei similare, indiferent de tipul de diagramă de fază în cauză. În cele mai multe cazuri, ceea ce se urmărește este să plece de la un sistem într-o stare inițială bine definită din punct de vedere al compoziției sale și al altor proprietăți, și se observă într-un fel (cu ochiul liber sau prin tehnici instrumentale). care fază sau faze sunt prezente. Apoi variați treptat unele dintre proprietățile sistemului, păstrând toate celelalte proprietăți constante, luând notă de orice schimbare de stare și de condițiile în care a avut loc această schimbare de stare.

Construirea diagramelor de substanțe pure

În cazul substanțelor pure , de obicei se setează o presiune și apoi se modifică temperatura, reprezentând punctele de schimbare de fază la înălțimea presiunii corespunzătoare din diagramă. Apoi presiunea este schimbată și procesul se repetă. Unirea punctelor în care se produc schimbările de fază și intersecțiile dintre curbele rezultate permit construirea diagramei de fază, indicând în fiecare regiune de fiecare parte a fiecărei curbe ce fază este prezentă.

Construirea diagramelor binare

În cazul sistemelor binare, unul începe în mod normal cu cele două componente pure la o presiune sau temperatură definită și variază cealaltă variabilă (temperatura sau respectiv presiunea), notând din nou temperatura sau presiunea la care are loc o schimbare de fază. Aceste puncte sunt reprezentate pe axele verticale. Cea din dreapta reprezintă una dintre componentele pure, iar cea din stânga pe cealaltă.

Apoi, amestecurile ambelor componente sunt preparate cu concentrații definite în funcție de fracția lor molară sau de masă (sau procentele lor). Pentru fiecare compoziție (trasată pe axa x) variați din nou temperatura sau presiunea și observați schimbările de fază ca înainte.

Construirea diagramelor ternare

Procedura pentru diagramele ternare este de obicei puțin mai complexă. În unele cazuri, se urmărește prepararea amestecurilor care să fie paralele cu una dintre laturile diagramei, în alte cazuri se face perpendicular și în alte cazuri în diagonală. Fiecare dintre aceste tururi are propriul mod experimental particular de a fi realizat, inclusiv amestecarea unui sistem binar fix cu cantități crescânde din a treia componentă și invers, printre altele.

Pentru ce sunt folosite diagramele de fază?

Aplicarea diagramelor de fază depinde de tipul particular de diagramă de fază în cauză.

Utilitatea diagramelor de fază ale substanțelor pure

În cazul diagramelor de substanțe pure, diagrama de fază ne oferă informații clare despre faza în care se va afla sistemul în funcție de presiune și temperatură. Datorită acestui fapt, ne permite, de asemenea, să anticipăm schimbările de fază care trebuie să apară atunci când luăm un sistem dintr-o stare inițială la una finală prin diferite căi.

Pe de altă parte, acest tip de diagrame de fază face posibilă, de asemenea, prezicerea temperaturilor de schimbare de fază (sau punctele de schimbare de fază) a unei substanțe pure la diferite presiuni. De exemplu, putem vedea clar cum se modifică punctele de fierbere și de topire în funcție de presiune.

Utilitatea diagramelor de fază binare

În cazul diagramelor de fază binare, acestea oferă informații despre diferitele faze, proporțiile și compoziția lor atunci când variam, fie temperatura menținând presiunea constantă, fie presiunea menținând temperatura constantă. Fiind diagrame bidimensionale, în general nu se pot observa simultan schimbările de fază, proporțiile în care este prezentă fiecare fază și compoziția acesteia în funcție de temperatură și presiune. Cu toate acestea, construcția diagramelor de fază binare în funcție de temperatura la diferite presiuni ne poate furniza indirect aceste informații.

Diagramele de fază ale sistemelor binare ne permit să studiem interacțiunile dintre diferitele faze care se pot forma între două substanțe chimice diferite. Aceste faze pot include faze pure ale ambelor componente în stări diferite (solid și lichid, de exemplu) sau faze omogene care conțin ambele componente (cum ar fi aliaje, soluții, co-cristale etc.).

Datorită celor de mai sus, diagramele de fază binară permit identificarea sistemelor eutectice, care sunt sisteme binare care se topesc la o singură temperatură și al căror punct de topire este mai mic decât cel al oricăreia dintre cele două componente pure. În plus, ele permit determinarea temperaturii de topire a acestui sistem, cunoscut sub denumirea de punct eutectic. Acest lucru este foarte important în diverse aplicații industriale, deoarece permite identificarea și proiectarea aliajelor metalice de înaltă rezistență, cu punct de topire scăzut, utile, de exemplu, în sudare.

Utilitatea diagramelor de fază ternare

În final, în diagramele de fază ternare se folosește o diagramă triunghiulară pentru a putea reprezenta simultan la un moment dat proporțiile în care se găsesc cele trei componente ale unui amestec ternar. Aceasta înseamnă că în aceste diagrame nu putem observa efectul temperaturii și presiunii asupra fazei/fazelor prezente în sistemul ternar, ci doar efectul compoziției.

Prin urmare, o diagramă de fază ternară este utilizată în principal pentru a determina modul în care un sistem ternar se comportă atunci când variază concentrația relativă a unuia dintre componente. Acest lucru este util pentru studierea sistemelor în care două soluții cu substanțe dizolvate diferite sunt amestecate, deoarece solventul și cele două substanțe dizolvate vor fi prezente în amestec, formând astfel un sistem ternar.

Părți ale unei diagrame de fază

Următoarele diagrame sunt utilizate pentru a descrie părțile unei diagrame de fază pentru o substanță pură și un sistem binar:

Axele graficului

În funcție de tipul diagramei de fază, acestea pot reprezenta presiunea și temperatura (ca în cazul primei diagrame), fracția molară a unei componente (ca în cazul celei de-a doua) sau a două componente (ca în cazul diagrame ternare). ).

Curbe de echilibru de fază

Sunt curbele care separă o fază de alta într-o diagramă de fază. Curbele AB, BC și BD din diagrama de mai sus a unei substanțe pure sunt toate exemple de curbe de echilibru de fază, la fel ca și curbele AB și AD din a doua diagramă.

puncte triple

În sistemele de substanțe pure, punctul triplu este cel în care coincid mai multe curbe de echilibru de fază, deci sunt 3 faze în echilibru simultan. Corespunde punctului B din prima diagramă a figurii precedente.

Puncte critice

Corespunde punctului D din prima diagramă. Indică temperatura maximă la care o substanță pură poate exista ca lichid. Peste această temperatură, substanța este întotdeauna gazoasă și la temperaturi și presiuni mai mari se comportă ca un fluid supercritic.

puncte eutectice

Corespunde punctului A din diagrama binară a imaginii anterioare. Este punctul în care ambele faze se topesc împreună trecând direct de la starea solidă la starea lichidă, fără să rămână prezentă nici una dintre cele două faze solide originale. Acest punct marchează atât temperatura de topire eutectică, cât și compoziția eutectică pentru sistemul binar considerat.

Nu toate amestecurile formează amestecuri eutectice, dar multe, cum ar fi aliajele, formează.

Referințe

Agudelo, AF și Restrepo, OJ (2005, 21 ianuarie). TERMODINAMICĂ ȘI DIAGRAME DE FAZĂ . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

Diagrama de fază binară . (2014, 9 aprilie). Zona chimică. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html

Lopez, JR (sf). Diagrame de fază . Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html

Ingineria Materialelor. (20 ianuarie 2018). Diagrama de fază: semnificație și tipuri . Note de inginerie India. https://www.engineeringotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506

Novelo-Torres, AM și Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 octombrie). Traiectorii în diagrame ternare . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995