Les diagrammes de phase à deux composants
Les diagrammes de phase à deux composants
Nous avons déjà regardé des diagrammes d'ébullition à deux composants. Ces diagrammes sont des descriptions de l'état du système sur un graphique de la température en fonction de la composition (à pression constante). A haute température du système est dans la phase gazeuse (ou vapeur). Aux températures plus basses que le système est en phase liquide. Entre ces deux situations, il existe une région où il existe deux phases (vapeur et liquide) en équilibre les uns avec les autres.
Si nous continuons à refroidir le système que nous finirons par atteindre une température où l'une ou l'autre des composants purs gèlera. A des températures égales et en dessous des points de fusion du diagramme de phase ressemblera à quelque chose comme le diagramme de phase hypothétique suivant impliquant une substance « A » et une substance « B. » Dans ce schéma, nous conspirons la température par rapport à la fraction molaire de la substance B.
Reprenons un point dans la zone de liquide sur le schéma ci-dessus et refroidir le système à composition constante et de pression le long de la ligne pointillée à partir du point « a ».
Aller du point A au point rien b se passe bien. Nous sommes en train de refroidir le liquide (ou faire fondre). Au point b, cependant, on commence à cristalliser un certain composant pur A. Quand on traverse la ligne courbe au point b nous entrons dans une région à deux phases. Sur ce diagramme, les deux phases sont composant pur A et le mélange liquide. Comme nous le savons déjà, dans une région en deux phases, nous devons suivre deux compositions différentes de sorte que nous traçons une cravate en ligne. Dans ce cas, la ligne de jonction se déroulera du point B au point c. Lorsque la ligne de jonction croise la courbe fermée à b indique la composition de la phase liquide. Dans ce diagramme, l'autre extrémité de la ligne de jonction se coupent le bord du diagramme à solide pur A (point C). Alors que nous continuons à refroidir le système des lignes de tirants suivre la composition des phases liquides et solides. Au moment où on arrive à point D le reste des pistes du solide pur extrémité gauche de la ligne de jonction (point E) A. L'extrémité droite de la ligne de jonction des pistes de la composition liquide au point f. Notez que le liquide au point f est beaucoup plus riche dans le composant B. En effet, nous avons retirons le composant A de la solution en cristallisant dehors.
La règle de phase Gibbs nous dit la variance dans les différentes régions. Etant donné que ceci est un système à deux composants de la variance est donnée par v = 2 + c - p = 4 - p. L'un des degrés de liberté contribue à la variance est la pression, mais étant donné que la pression est constante dans ce diagramme, nous devons considérer la pression comme étant tracée perpendiculairement au plan de l'écran. Il est habituel de définir la « variance réduite, » v ». comme juste la variance dans le plan du diagramme. Autrement dit, la variance réduite est la variance de la règle de phase moins la variable de pression. La variance réduite est donnée dans un diagramme de phase à deux composants par v »= 3 - p. Dans le schéma ci-dessus réduit la variance est 2 dans la région liquide. (Vous pouvez changer la température et de la composition arbitraire sur une fourchette raisonnable.) Dans les régions à deux phases, comme le A (s) + liquide ou B (s) + liquide, les régions de la variance est réduite 1. Dans ces régions, si vous changer la température de la composition de la phase liquide doit changer. (Bien que la composition de la phase solide ne changera pas dans ces cas, parce que la phase solide est pur A ou B. pure)
La variance réduite dans les régions en solution solide α marqué (s) et β (s) est égal à 2 parce que ces régions sont des régions d'une phase. L'écart réduit dans les autres régions est le même que dans le diagramme de phase avec aucune solubilité solide-solide. Sur ce schéma, il est plus facile de voir pourquoi la variance réduite est 1 dans la région α marqué (s) + β (s). La composition des deux phases de solution solide en équilibre change légèrement lorsque la température est modifiée.
D'argent et de cuivre sous forme de solutions solides-solides semblables au diagramme ci-dessus où la solubilité solide-solide d'un composant dans l'autre ne sont pas très importante.
Diffusion dans les solides est très lente à la température ambiante. La diffusion est beaucoup plus rapide à des températures proches du point de fusion des composants. Il y a une sculpture dans un parc de Manhattan intitulé 3000 A. D. en aluminium / magnésium par Terry Fugate-Wilcox. Il est une flèche d'une alternance de pièces d'aluminium et de magnésium. On peut supposer que la diffusion solide-solide va transformer la sculpture dans une solution solide-solide homogène d'aluminium et de magnésium d'ici l'an 3000.
Le diagramme de phase ci-dessus montre la formation d'un composé entre A et B. Le composé est représenté par la ligne verticale à partir du point 3. On peut dire la formule du composé à partir de sa composition, XB. Il semble que le composé a une fraction molaire de B de 1/3. Cela signifie que dans le composé, pour trouver la formule du composé, nous recherchons les nombres entiers les plus petits pour nA et nB qui satisferont cette équation. Dans ce cas, il semble que l'équation est résolue en réglant nB = 1 et SO = 2. Ensuite, si la formule du composé est A2 B.
Le diagramme est étiqueté comme suit: 1 = liquide
2 = MP de A
3 = MP du composé A2 B
4 = MP de B
5 = eutectique de A et B A2
6 = eutectique de A2 B et B
7 = A (s) + liquide
8 = A2 + B liquide (s)
9 = A2 B (s) + liquide
10 = liquide + B (s)
11 = A (s) + A2 B (s)
12 = A2 B (s) + B (s)
Il existe de nombreuses variantes possibles et les combinaisons possibles avec ces thèmes. Par exemple,
Ou encore plus intéressant,
Nous laisserons au lecteur de comprendre et d'analyser ces deux diagrammes de phase hypothétiques.
Les diagrammes de phase, un peu plus compliqué que les exemples présentés ici, sont très importants dans des domaines tels que la métallurgie, la science des matériaux, la géologie et la géophysique, la science planétaire, et bien d'autres. Certains des plus importants impliquent plus de deux composants. Ceux-ci sont au-delà du cadre de la présente discussion.
Si vous commencez à la composition d'un composé pur, le système se refroidit assez rapidement jusqu'à ce que vous arrivez au point de fusion du composé. Au point de fusion, la température se maintient à la température de fusion jusqu'à ce que tout le liquide a été converti en solide. On appelle cela un « arrêt ». Ensuite, la température chute rapidement à nouveau. La même chose arrive à la composition d'un eutectique. La température baisse relativement rapidement jusqu'à ce que vous atteignez le point de fusion eutectique puis « arrête » jusqu'à ce que tout le liquide a été converti en solide, la température chute rapidement à nouveau.
Si vous commencez à une composition entre un composé pur et l'eutectique la température baisse relativement rapidement jusqu'à ce que vous frappez la température de l'une des limites de phase liquide / solide. A ce stade, le mélange continue à refroidir, mais beaucoup plus lentement parce que le système est précipitait progressivement un composé pur comme il se refroidit et la chaleur de fusion doit être dissipée pour que le système refroidir. Le schéma ci-dessus montre, à gauche, un diagramme de phase simple, hypothétique (substance A avec la substance B). A droite il y a un ensemble d'axes de coordonnées pour un tracé de la température en fonction du temps (en utilisant la même échelle de température). Étant donné que cette stupide combinaison Microsoft Word / Powerpoint ne me laisse pas placer toutes les courbes de refroidissement sur un graphique que je vais vous montrer cinq graphiques des courbes de refroidissement à différentes compositions.
La première courbe de refroidissement sera pour pur A: Comme nous refroidissons rien liquide pur A arrive bien jusqu'à ce que nous atteignons le point de fusion de A. Au point de fusion de la courbe A prend un « arrêt ». Autrement dit, la température constante jusqu'à ce que détient la totalité du liquide a été transformé en solide. La température reste constante pendant une période de temps parce que notre mécanisme de refroidissement, quel qu'il soit doit éliminer la chaleur de fusion qui se dégage lorsque le liquide est convertir en solide. Lorsque tout le liquide a été converti en solide nous commençons à refroidir le solide et rien d'autre d'intérêt qui se passe (à moins d'une transition de phase solide-solide à une température inférieure qui ne figure pas sur notre graphique.)
La deuxième courbe de refroidissement sera pour un mélange avec la composition A et pur entre l'eutectique. Sur cette courbe de refroidissement, nous avons une pause (changement de pente) au point où A (s) commence à se précipiter. Le système se refroidit plus lentement à la pause parce que A (s) est crysalizing (congélation) dehors et la chaleur de fusion étant libérée dans ce procédé doit être évacuée en plus de la chaleur éliminée en abaissant simplement la température.
La prochaine courbe de refroidissement sera à la composition de l'eutectique. Rien ne se passe jusqu'à ce qu'on atteigne le point de fusion de l'eutectique, à quel point la température reste constante jusqu'à ce que toute la matière est solidifiée. Notre quatrième courbe de roucoulement sera à une composition eutectique entre le pur et B. Nous nous attendons à une rupture au point où la température franchit la limite de phase liquide / solide et un arrêt au point de fusion de l'eutectique. Et nous le faisons.
La courbe de refroidissement sera pour pur B. Tout ce que nous obtenons pour la courbe de refroidissement pur B est une halte au point de fusion de B.
Il est pas tellement d'intérêt pour aller du diagramme de phase à un ensemble de courbes de refroidissement (bien que vous devriez être en mesure de le faire). Le principal intérêt est d'obtenir le diagramme de phase à partir d'un ensemble de courbes de refroidissement. Les données expérimentales sont souvent sous la forme d'un ensemble de courbes de refroidissement (ou même dans une spécification des pauses et arrête à des compositions différentes). A partir de ces données, on peut construire le diagramme de phase.
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