1.2. Двухкомпонентные системы
В двухкомпонентной системе (К=2), в которую входят соединения А и В, число переменных равно четырем: р, Т, сА, сВ. При постоянном давлении (р = const) состояние двухкомпонентной системы можно рассматривать на плоской диаграмме температура – состав и правило фаз принимает вид:
f = K +1 или f = 3 .
Рассмотрим случай двухкомпонентной системы, в которой компоненты неограниченно растворимы в расплаве и практически нерастворимы в твердой фазе. Такой тип фазовой диаграммы, называемой диаграммой плавкости, представляет система Cd – Bi (рис. 9).
Диаграмма плавкости строится по кривым охлаждения. Чтобы получить кривые охлаждения, готовят расплавы различного состава. Затем наблюдают процесс охлаждения и кристаллизации расплавов во времени. Кривые 1 и 6 отвечают охлаждению и кристаллизации расплава чистых Cd (кривая 1) и Bi (кривая 6). При кристаллизации расплавов индивидуальных Cd и Bi наблюдаются четко выраженные температурные остановки (горизонтальные участки). Температура не изменяется до тех пор, пока не закристаллизуется последняя капля расплава индивидуального вещества.
Рис. 9. Диаграмма плавкости двухкомпонентной системы Cd – Bi (правая часть), построенная по кривым охлаждения расплава Cd – Bi (левая часть рисунка)
При охлаждении двухкомпонентного расплава процесс кристаллизации начинается с выпадения кристаллов одного из компонентов. Так из расплава, содержащего 70% Сd и 30% Bi (кривая охлаждения 2, точка а), происходит выпадение кристаллов Cd. Процесс кристаллизации Cd изменяет состав расплава, он обогащается Bi, поэтому температура кристаллизации плавно уменьшается по мере выпадения кристаллов Cd. Так происходит до температуры, соответствующей точке б на кривой 2. Температура расплава, соответствующая точке б, остается некоторое время постоянной. Из расплава одновременно выпадают кристаллы Cd и Bi в том соотношении, которое соответствует составу расплава. Температура расплава остается постоянной до тех пор, пока не завершится выпадение смеси кристаллов Cd и Bi постоянного состава (плато б – с на кривой 2). Эта температурная остановка (плато б – с на кривой 2) соответствует точке 4 на диаграмме плавкости. Данная точка называется эвтектической. Расплав, находящийся в равновесии с кристаллами обоих компонентов, называется эвтектической смесью или эвтектикой, а температура кристаллизации жидкой эвтектики – эвтектической точкой.
Кривая охлаждения 3 повторяют процесс, описанный для кривой 2, с той лишь разницей, что исходный состав расплава 60% Cd + 40% Bi и начало кристаллизации Сd отвечает точке 3 на диаграмме плавкости. Аналогично возникает точка 5 на диаграмме состояния при охлаждении жидкого расплава 20% Cd + 80% Bi, а при кристаллизации происходит выпадение кристаллов Bi (кривая охлаждения 5). Кривой охлаждения 4 соответствует кристаллизация эвтектической смеси.
В расплаве число степеней свободы f =K – + 1 =2 – 1+1 = 2, т.е.система остается однофазной при произвольном изменении Т и состава.
На линиях 1 – 4 и 4 – 6 (рис. 9, правая часть), отвечающих равновесию бинарного расплава и кристаллов Cd или Bi, число степеней свободы равно: f =K – + 1 =2 – 2+1 = 1. Это значит, что для сохранения двух фаз можно менять либо Т, либо состав. В эвтектической точке 4 в равновесии находятся 3 фазы: расплав, кристаллы Bi и кристаллы Cd. Система инвариантна, так как f =K – + 1 =2 – 3+1 =0
Многие водные растворы солей представляют собой подобные двухкомпонентные системы. На рис. 10 показана диаграмма состояния двухкомпонентной системы Н2О NaCl. Выше линий bc и сdf существует раствор NaCl в воде. Область, охваченная кривыми abc, представляет собой гетерогенную смесь раствора соли с плавающими в нем кристаллами льда. Область, охваченная кривыми cdf, – гетерогенная смесь кристаллов NaCl в растворе. Поле ниже линии acg – кристаллы льда и соли.
Рис. 10. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы Н2О NaCl: