6.2 Діаграми стану систем, компоненти яких утворюють твердий розчин

Твердими розчинами називають багатокомпонентні гомогенні системи, що перебувають в твердому стані. Вони утворюються, якщо компоненти системи мають однакову або близьку за своїми параметрами структуру. Тверді розчини бувають двох типів: заміщення або включення. На рис. 6.2. наведені схеми будови кристалічних ґраток таких розчинів.

 

 

 



 

 

 



 

а в

Рисунок 6.2 – Схеми будови твердих розчинів: а – заміщення; в – включення

Тверді розчини включення утворюють елементи, атоми яких мають малі розміри (Li, Ве, В, С). Атоми в таких системах розташовані в пустотах між вузлами кристалічних ґраток елементу, що виконує роль розчинника (рис. 6.2в). У твердих розчинах заміщення атоми однієї з речовин заміщують у вузлах кристалічних ґраток сплаву атоми іншої речовини (рис. 6.2а). Температури плавлення і кристалізації чистих речовин співпадають, а температура плавлення твердих розчинів і температури кристалізації їх розплавів відрізняються. На рис. 6.3 наведено діаграму стану системи, в якій компоненти А і В утворюють твердий розчин. На вісі ординат відкладено температуру, на вісі абсцис – склад системи (мольну частку в сплаві компоненту В – Х_В).

Верхня лінія кривоїАВ (лінія ліквідусу) характеризує залежність температури кристалізації розплаву від його складу. Вище неї на діаграмі розташована область гомогенного рідкого розплаву. Нижня лінія кривої АВ (лінія солідусу) характеризує залежність температури плавлення твердого розчину від його складу. Нижче неї розташована область гомогенного твердого розчину. Криві ліквідусу і солідусу сходяться в точках А і В, що відповідають температурам плавлення чистих компонентів. Область, що міститься між лініями солідусу і ліквідусу, відповідає співіснуванню двох фаз – кристалів твердого розчину та його рідкого розплаву. Лінії, що за сталої температури з’єднують точки на ліквідусі і солідусі, називають нодами. Точки перетину нод з ліквідусом і солідусом характеризують відповідно склад рідкого розплаву і твердого розчину, які знаходяться в контакті.

Рисунок 6.3 – Діаграма стану системи, компоненти якої утворюють твердий розчин: 1 –твердий розчин; 2 – рідкий розплав + кристали твердого розчину; 3 – рідкий розплав

6.3 Діаграми стану систем, компоненти яких утворюють евтектику

Речовини, які погано розчиняються одна в одній в твердому стані, тобто не утворюють твердих розчинів або хімічних сполук, під час кристалізації їх розплавів утворюють суміш дрібних кристалів, яку називаютьевтектикою. Евтектика характеризується більш низькою температурою плавлення, ніж температури плавлення компонентів, що її утворили. На рис. 6.4 наведено діаграму стану системи, яка містить евтектику. Точка Е на діаграмі характеризує склад евтектики і називається евтектичною точкою.

Рисунок 6.4 – Діаграма стану системи з евтектикою, яка містить такі області: 1 – розплав речовин А і В; 2 – рідкий розплав і кристали В; 3 – рідкий розплав і кристали А; 4– евтектику і кристали А; 5– евтектику і кристали В

6.4 Фазові діаграми стану водно-сольових систем

Водні розчини багатьох солей під час замерзання утворюють евтектичні суміші, які називають кріогідратами. Оскільки під час кристалізації евтектик кожний з компонентів виділяється окремо, то затверділа евтектика є двофазною системою. Кріогідрати – дуже дрібні суміші кристаликів солі і льоду.

На рис. 6.5 наведено діаграму стану водно-сольової системи NaCl – H₂O. Евтектична суміш містить 24,4 % NaCl, а температура її замерзання становить –21,2⁰С. Температура плавлення солі набагато вища за температуру танення льоду. Тому на діаграмі права частина гілки ліквідусу, яка характеризує температуру плавлення солі, на практиці не реалізується. Додатковою фазою на діаграмі є кристалогідрат – NaCl2H₂O, який існує за температур нижче 0⁰С і за концентрацій солі в системі більших ніж її вміст в евтектиці.

Рисунок 6.5 – Діаграма стану системи NaCl – H₂O

Кріогідрати застосовують для виготовлення охолоджувальних сумішей – систем з великою теплоємністю і низькою температурою замерзання. Суміші зручні тим, що охолоджені до певної температури вони здатні самочинно підтримувати цю температуру, доки в системі є нерозплавлений лід або дрібні кристали солі. Поступово танучи лід віднімає з навколишнього середовища теплоту, а сіль, розчиняючись у воді, що утворилася з льоду, підтримує в рідкій фазі концентрацію солі, яка відповідає складу евтектики.