- •Физическая химия
- •1. Теоретическая часть
- •1.1. Фазовые равновесия в гетерогенных системах
- •1.2. Правило фаз
- •1.3. Равновесие в двухкомпонентных системах
- •1.3.1. Система с неограниченной растворимостью в жидком и отсутствием растворимости в твердом состоянии
- •1.3.2. Система с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях
- •1.3.3. Система с химическими соединениями
- •2. Методические указания к выполнению расчетно-графического задания №2
- •2.1. Формулировка задания
- •Библиографический список
- •Приложение 1
- •Приложение 2 Требования к оформлению задания
- •Приложение 3 Образец оформления титульного листа
- •Расчетно-графическое задание №2
1.3.2. Система с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях
На рис. 2 представлена диаграмма состояния для двух веществ, которые неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и твердом состояниях. Здесь и tB– температуры плавления чистых веществ А и В, соответственно. В отличие от предыдущей диаграммы с двумя ветвями линии ликвидус, здесь эта линия представлена одной плавной кривой tAЖtB.Выше ее существует однородный жидкий раствор. Линия солидус передается кривой tATBtB.При температурах ниже этой линии лежит область твердых растворов, состав которых не ограничен, т. е. они однородны при всех концентрациях от 0 до 100 % А.Рассмотрим процесс охлаждения какого-либо раствора (или сплава), содержащего, например, 80 % более легкоплавкого вещества А.При температуре в точке 1 раствор находится в жидком состоянии. Охлаждение его до температуры точки 2вызывает кристаллизацию. Однако из раствора выделяется не чистое веществоАи не чистое веществоВ, а образуется твердый раствор этих двух веществ. Это наблюдается, когда оба вещества кристаллизуются в схожих пространственных решетках и их атомы легко заменяют друг друга в узлах общей решетки, т. е. образуется твердый раствор А и В.Таким образом, в точке 2в равновесии находится две фазы – жидкий раствор Вв А (концентрацияВравна 20 %) и твердый раствор с концентрацией В, равной 50 %. Согласно правилу фаз, число степеней свободы составляет единицу. Это означает, что, если задан параметр –t, то другие параметры определяются автоматически.
Рис. 2. Диаграмма состояния с полной растворимостью в жидком и твердом состояниях
В рассматриваемом случае имеется еще два параметра – концентрации жидкого и твердого растворов, которые имеют определенные значения. Из рис. 2 видно, что выбранной температуре отвечает концентрация твердого раствора в точке 3, составляющая около 50 % В. Видно, что твердый раствор обогащен по сравнению с жидким более тугоплавким веществом В. Это свойство используется при разделении некоторых металлов, например серебра и золота, образующих твердые растворы. Действительно, если отделить первую порцию кристаллов состава точки 3, а затем их вновь расплавить, то при температуре точки 4будет кристаллизоваться сплав, сильно обогащенный компонентом В(около 90 %). Отметим, что добавление вещества Вк А не понижает, а повышает температуру плавления.
Вернемся к нашему раствору в точке 2.При его дальнейшем охлаждении естественно будет увеличиваться количество твердого раствора. При этом состав жидкости обогащается легкоплавким веществомА, а состав кристаллов – веществомВ, как это показано на рис. 3 для температуры точки 5, где составы сосуществующих растворов отвечают точкам 6 и 7.Таким образом, в области между кривыми ликвидус и солидус существует двухфазное равновесие между двумя сопряженными растворами – жидким и твердым.
Если кристаллизация сплава, образованного металлами, дающими твердые растворы, происходит сравнительно быстро, то слиток может получиться неоднородным по химическому составу. Такое явление называется сегрегацией. Если же кристаллизация ведется очень медленно и концентрации твердых растворов успевают выровняться, то, естественно, что состав сплава, затвердевшего при температуре точки 8по всему объему, в точности отвечает составу первоначального жидкого сплава (точка 1).
Отметим, что неограниченная растворимость в твердом состоянии в действительности встречается относительно редко – в системах, образованных близкими по своим свойствам веществами. Чаще всего наблюдается ограниченная растворимость твердых веществ друг в друге.