Диаграмма состояния воды
Изучением различных систем занимается раздел химии, называемый физико-химическим анализом. Физико-химический анализ изучает соотношение между составом и свойствами в однокомпонентных, двух- и многокомпонентных средах. “Основная задача физико-химического анализа - это измерение свойств при последовательном изменении состава равновесной системы, результатом чего является, построение диаграммы “состав-свойство”. Таким образом, возникает геометрический метод исследования химических превращений. Мы получаем точную геометрическую модель этой сложной функции, которая должна изображать зависимость между температурой, объемом, концентрацией, давлением и другими физическими и химическими факторами, определяющими состояние системы” (Н. С. Курнаков).
В основе физико-химического анализа лежат два принципа, разработанные Н.С. Курнаковым. а именно: принцип непрерывности и принцип соответствия (корреляции). Согласно принципу непрерывности при непрерывном изменений параметров, определяющих состояние системы (давление, температура, концентрация), свойства ее отдельных фаз изменяются также непрерывно до тех пор, пока не изменится число или характер ее фаз. Согласно принципу соответствия каждой фазе или каждому комплексу равновесных фаз соответствует на диаграмме определенный геометрический образ.
ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ.
Согласно правилу фаз С = К + 2 - Ф для системы состояния из двух компонентов С = 0, когда Ф = 4, т.е. число равновесных соприкасающихся фаз не может быть больше 4, а число степеней свободы может изменяться от 0 до 3 (когда Ф = 1, то С = 3). Таким образом, двухкомпонентная система может быть наглядно представлена или пространственной диаграммой состояния, координатами которой будут температура, давление и состав, или сложной ее проекцией на плоскость.
При пространственном изображении диаграммы двухкомпонентной системы пользуются прямоугольной системой координат; на одной оси откладывают температуру Т, на другой - давление Р, на третьей - концентрацию С. Существование каждой фазы системы изображается вполне определенным объемом в пространстве координат. Для практических целей часто пользуются диаграммами “состав-свойство”. Одну из переменных (давление или температуру) принимают за постоянную величину и, таким образом, состояние двухкомпонентной системы изображается уже не в пространстве, а на плоскости. Так как мы одну из переменных величин принимаем за постоянную, то это уменьшает возможное число степеней свободы на единицу. Поэтому уравнение правила фаз будет иметь следующий вид: С=К+1-Ф
Для изображения диаграмм “состав-свойство” пользуются прямоугольными системами координат, на оси абсцисс откладывают состав, а на оси ординат свойство (давление, температуру).
Термический анализ.
Изучение многокомпонентных систем, образующих несколько фаз, при помощи физико-химического анализа.
В основе физико-химического анализа лежит изучение зависимости состава системы от ее физических свойств. Найденные из опыта зависимости изображаются в виде диаграмм состояния состав-свойство. Для двух компонентных систем свойства откладываются обычно на оси ординат, а состав - на оси абсцисс.
Одним из наиболее распространенных видов физико-химического анализа является термический анализ, который представляет совокупность экспериментальных методов определения температуры, при котором равновесной системе изменяется число фаз. На рис. 2 показан способ построения диаграммы состояния (диаграмма плавкости) при помощи термического анализа. На рис. 2а представлены кривые охлаждения расплавов или растворов различного состава. По кривым охлаждения построены диаграммы состояния двухкомпонентной системы (рис. 2б). К основным типам диаграмм состояния двухкомпонентных конденсированных систем относится диаграммы с эвтектикой, с конгруэнтно и инконгруэнтной плавящимися химическими соединениями, с ограниченной и неограниченной растворимостью в твердой и жидкой фазах и другие.
Из основного закона равновесия фаз Гиббса следует, что для двухкомпонентной системы с конденсированными фазами при постоянном давлении число степеней свободы в соответствии с уравнением (С= К-A +1) при К=2 равно
С=3-Ф
При этом число равновесных фаз не может быть больше Ф=3 (при С=0), а число степеней свободы не может быть больше С=2 (при Ф=1). Переменными являются температура и состав фаз.
рис. 2