Tabla de Contenidos
Faz diyagramı, bir sistemin farklı koşullar altındaki farklı termodinamik denge durumlarının grafiksel bir temsilidir. Bu grafik türü, diğer şeylerin yanı sıra, ikili karışımlar veya daha karmaşık karışımlar söz konusu olduğunda, belirli koşullar altında mevcut olan fazların yanı sıra her bir fazın bulunduğu oranı ve bileşimini tahmin etmemizi sağlar .
Faz diyagramı türleri
Tek bileşenli faz diyagramları (saf madde diyagramları)
Bu diyagramlar, saf bir maddenin farklı sıcaklık ve basınç değerlerinde bulunabileceği farklı toplama aşamalarını veya durumlarını gösterir. Bu faz diyagramları, özellikle sıcaklık ve basınç koşullarının belirgin şekilde farklı özelliklere sahip çok sayıda farklı kristal yapının oluşumunu destekleyebildiği katı fazda çok karmaşık hale gelebilir .
Saf bir madde için bir faz diyagramının tipik şekli aşağıda gösterilmiştir:
Saf bir maddenin tipik faz diyagramlarının iki örneği, aşağıdaki şekilde gösterilen elementel karbon ve helyumdur. Bir metal olmayan karbon , farklı katı allotroplarda (grafit ve elmas) oluşabilir; Ayrıca sıvı ve gaz halinde de oluşabilir. Helyum söz konusu olduğunda, bu kolayca sıvılaştırılamayan bir gazdır.
İkili sistemlerin faz diyagramları (iki bileşenli diyagramlar)
İkili faz diyagramları, iki bileşenden oluşan bir sistemde (ikili sistem) farklı sıcaklıklarda veya farklı basınçlarda oluşan fazların, sistemin toplam bileşiminin bir fonksiyonu olarak (genellikle X ekseninde gösterilir) grafiksel gösteriminden oluşur. .
Karışımın belirli bileşenlerine bağlı olarak, bu sistemler farklı tipte faz diyagramlarına yol açabilir. Bu diyagramların bazılarında, farklı kümelenme durumlarında (katı, sıvı veya gaz) saf bileşenlerin ayrı fazları oluşturulurken, diğer durumlarda her iki bileşenin homojen fazları oluşturulur.
Aşağıda iki ikili faz diyagramı gösterilmektedir. İlki, ötektik bir karışım oluşturan bir ikili sistem örneğiyken , ikincisi bunu yapmaz.
Üçlü sistemlerin faz diyagramları (üç bileşenli diyagramlar)
Bu diyagramlarda, her iki tarafta, üç bileşen arasında oluşturulabilen üç ikili sistemin her birinin bileşimini temsil etmek için bir üçgen kullanılmıştır. Üçgenin içindeki herhangi bir nokta, belirli bir bileşime sahip üçlü bir sistemi temsil eder.
Bu durumlarda, her bir türün konsantrasyonu, mol kesri veya kütle kesri (tüm kesirlerin toplamının 1 olmasını sağlamak için) veya yüzde olarak (toplam konsantrasyonun her zaman %100 olmasını sağlamak için) temsil edilmelidir . ).
Sabit bir sıcaklık ve basınçta sistemin her bir olası bileşimi için mevcut olan faz veya fazlar gösterilmiştir.
Faz diyagramının oluşturulması
Bir faz diyagramının yapım süreci, teorik olarak veya deneysel bilgilerden gerçekleştirilebilir. İlk durumda, sistemin özelliklerine ve bileşimine bağlı olarak bir sistemin (saf madde, ikili karışım veya üçlü sistem) denge durumunu hesaplamak için termodinamik denklemler kullanılır. Nispeten basit sistemler dışında, bu yaklaşım oldukça karmaşıktır ve gerçekleştirilmesi zordur.
Deneysel bir bakış açısından, faz diyagramlarını oluşturmak için kullanılan prosedürler, söz konusu faz diyagramının türünden bağımsız olarak genellikle benzerdir. Çoğu durumda, kompozisyonu ve diğer özellikleri açısından iyi tanımlanmış bir başlangıç durumundaki bir sistemden yola çıkılmaya çalışılır ve bir şekilde (çıplak gözle veya enstrümantal tekniklerle) gözlemlenir. hangi faz veya fazların mevcut olduğu. Daha sonra, diğer tüm özellikleri sabit tutarak, herhangi bir durum değişikliğini ve bu durum değişikliğinin meydana geldiği koşulları dikkate alarak, sistemin bazı özelliklerini kademeli olarak değiştirin.
Saf maddelerin diyagramlarının oluşturulması
Saf maddeler söz konusu olduğunda , genellikle bir basınç ayarlanır ve ardından sıcaklık, diyagramda karşılık gelen basıncın yüksekliğindeki faz değişim noktalarını temsil edecek şekilde değiştirilir. Daha sonra basınç değiştirilir ve işlem tekrarlanır. Faz değişimlerinin meydana geldiği noktaların birleşimi ve ortaya çıkan eğriler arasındaki kesişme noktaları, her bir eğrinin her iki tarafındaki her bölgede hangi fazın mevcut olduğunu belirterek faz diyagramının oluşturulmasına izin verir.
İkili diyagramların oluşturulması
İkili sistemler söz konusu olduğunda, biri normalde tanımlanmış bir basınç veya sıcaklıkta iki saf bileşenle başlar ve diğer değişkeni (sırasıyla sıcaklık veya basınç) değiştirir, yine bazı faz değişikliklerinin meydana geldiği sıcaklık veya basıncı not eder. Bu noktalar dikey eksenlerde temsil edilir. Sağdaki saf bileşenlerden birini, soldaki ise diğerini temsil ediyor.
Daha sonra, her iki bileşenin karışımları, mol veya kütle kesirleri (veya yüzdeleri) cinsinden tanımlanan konsantrasyonlarla hazırlanır. Her bir bileşim için (x ekseni üzerinde çizilmiştir) tekrar sıcaklık veya basıncı değiştirin ve daha önce olduğu gibi faz değişikliklerini not edin.
Üçlü diyagramların oluşturulması
Üçlü diyagramlar için prosedür genellikle biraz daha karmaşıktır. Bazı durumlarda amaç, diyagramın kenarlarından birine paralel, bazı durumlarda dikey ve bazı durumlarda çapraz olarak devam eden karışımlar hazırlamaktır. Bu turların her birinin, diğerlerinin yanı sıra, sabit bir ikili sistemi artan miktarlarda üçüncü bileşenle karıştırmak ve tersi de dahil olmak üzere, kendine özgü deneysel başarı yolu vardır.
Faz diyagramları ne için kullanılır?
Faz diyagramlarının uygulanması, söz konusu faz diyagramının özel tipine bağlıdır.
Saf maddelerin faz diyagramlarının faydası
Saf madde diyagramları söz konusu olduğunda, faz diyagramı bize sistemin basınç ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak olacağı faz hakkında net bilgi sağlar. Bu sayede, bir sistemi başlangıç durumundan son duruma farklı yollardan aldığımızda olması gereken faz değişikliklerini de tahmin etmemizi sağlar.
Öte yandan, bu tip faz diyagramları, saf bir maddenin farklı basınçlardaki faz değişim sıcaklıklarının (veya faz değişim noktalarının) tahmin edilmesini de mümkün kılar. Örneğin, kaynama ve erime noktalarının basıncın bir fonksiyonu olarak nasıl değiştiğini açıkça görebiliriz.
İkili faz diyagramlarının faydası
İkili faz diyagramları söz konusu olduğunda, bunlar, basıncı sabit tutan sıcaklık veya sıcaklığı sabit tutan basınç olarak değiştirdiğimizde farklı fazlar, bunların oranları ve bileşimleri hakkında bilgi sunar. İki boyutlu diyagramlar olarak, faz değişimlerini, her fazın mevcut olduğu oranları ve sıcaklık ve basıncın bir fonksiyonu olarak bileşimini aynı anda gözlemlemek genellikle mümkün değildir. Bununla birlikte, farklı basınçlarda sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ikili faz diyagramlarının oluşturulması, bu bilgiyi bize dolaylı olarak sağlayabilir.
İkili sistemlerin faz diyagramları, iki farklı kimyasal madde arasında oluşabilen farklı fazlar arasındaki etkileşimleri incelememizi sağlar. Bu fazlar, her iki bileşenin farklı hallerdeki saf fazlarını (örneğin katı ve sıvı) veya her iki bileşeni içeren homojen fazları (alaşımlar, çözeltiler, ko-kristaller vb.) içerebilir.
Yukarıdakiler sayesinde, ikili faz diyagramları , tek bir sıcaklıkta eriyen ve erime noktası iki saf bileşenden birininkinden daha düşük olan ikili sistemler olan ötektik sistemlerin tanımlanmasına izin verir. Ayrıca ötektik nokta olarak bilinen bu sistemin erime sıcaklığının belirlenmesine olanak sağlarlar. Bu, çeşitli endüstriyel uygulamalarda çok önemlidir, örneğin kaynakta yararlı olan yüksek mukavemetli, düşük erime noktalı metal alaşımlarının tanımlanmasına ve tasarlanmasına olanak tanır .
Üçlü faz diyagramlarının faydası
Son olarak, üçlü faz diyagramlarında, bir üçlü karışımın üç bileşeninin bulunduğu oranları bir noktada aynı anda temsil edebilmek için bir üçgen diyagram kullanılır. Bu, bu diyagramlarda üçlü sistemde bulunan faz(lar) üzerinde sıcaklık ve basıncın etkisini gözlemleyemeyeceğimiz, sadece bileşimin etkisini gözlemleyebileceğimiz anlamına gelir.
Bu nedenle, bileşenlerden birinin bağıl konsantrasyonu değiştiğinde üçlü sistemin nasıl davranacağını belirlemek için esas olarak üçlü faz diyagramı kullanılır. Bu, farklı çözünen maddelere sahip iki çözeltinin karıştırıldığı sistemleri incelemek için yararlıdır, çünkü çözücü ve iki çözünen karışımda bulunacak ve böylece üçlü bir sistem oluşturacaktır.
Faz diyagramının bölümleri
Aşağıdaki diyagramlar, bir saf madde ve bir ikili sistem için bir faz diyagramının bölümlerini açıklamak için kullanılır:
Grafiğin eksenleri
Faz diyagramının tipine bağlı olarak, bunlar basınç ve sıcaklığı (ilk diyagramda olduğu gibi), bir bileşenin (ikincisinde olduğu gibi) veya iki bileşeni (durumunda olduğu gibi) temsil edebilir. üçlü diyagramlar).
Faz denge eğrileri
Bir faz diyagramında bir fazı diğerinden ayıran eğrilerdir. Yukarıdaki saf madde diyagramındaki AB, BC ve BD eğrilerinin tümü, ikinci diyagramdaki AB ve AD eğrileri gibi, faz denge eğrilerinin örnekleridir.
üçlü puan
Saf madde sistemlerinde, üçlü nokta, birkaç faz denge eğrisinin çakıştığı noktadır, yani aynı anda dengede 3 faz vardır. Önceki şeklin ilk diyagramındaki B noktasına karşılık gelir.
Kritik noktalar
İlk diyagramdaki D noktasına karşılık gelir. Saf bir maddenin sıvı halde bulunabileceği maksimum sıcaklığı gösterir. Bu sıcaklığın üzerinde madde her zaman gaz halindedir ve daha yüksek sıcaklık ve basınçlarda kritik üstü sıvı gibi davranır.
ötektik noktalar
Önceki görüntünün ikili diyagramındaki A noktasına karşılık gelir. Bu, iki orijinal katı fazın hiçbiri mevcut kalmadan doğrudan katı halden sıvı hale geçerek her iki fazın birlikte eridiği noktadır. Bu nokta, ele alınan ikili sistem için hem ötektik erime sıcaklığını hem de ötektik bileşimi işaret eder.
Tüm karışımlar ötektik karışımlar oluşturmaz, ancak alaşımlar gibi birçoğu oluşturur.
Referanslar
Agudelo, AF ve Restrepo, OJ (2005, 21 Ocak). TERMODİNAMİK VE FAZ ŞEMALARI . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
İkili Faz Diyagramı . (2014, 9 Nisan). Kimyasal Bölge. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
Lopez, JR (sf). Faz diyagramları . Endülüs Juntası. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
Malzeme Mühendisliği. (2018, 20 Ocak). Faz Diyagramı: Anlamı ve Türleri . Mühendislik Notları Hindistan. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM ve Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 Ekim). Üçlü diyagramlarda yörüngeler . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
