Диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Правило рычага. Трехкомпонентные системы, концентрационный треугольник Гиббса. Метод термического анализа.

Для двухкомпонентных гомогенных (однофазных) систем (Ф = 1) по правилу фаз Гиббса имеем:

f = K + 2 – Ф = 2 + 2 – 1 = 3, (6.1)

т. е. для описания состояния таких систем достаточно трёх переменных: давления, температуры и концентрации. Следовательно, для её графического изображения надо использовать объёмную (трёхмерную) диаграмму. Чтобы свести её к плоской, необходимо сократить число переменных. Поэтому при изучении конденсированных систем чаще всего строят диаграммы «точка кристаллизации (плавления) – состав» при постоянном давлении (обычно р = 1 атм.), благодаря чему диаграмма становится плоской.

Рассмотрим диаграммы состояния (растворимости) двухкомпонентных систем, описывающие зависимости температуры начала кристаллизации расплава от его состава (при постоянном давлении).

1. Плоская диаграмма плавкости (р = const) двухкомпонентных систем с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и взаимной нерастворимостью в твердом состоянии (без образования химических соединений).

Такие диаграммы характерны для веществ, полностью растворимых в жидком состоянии (при смешении жидких компонентов образуются гомогенные растворы во всей области концентраций) и не образующих твёрдых растворов (например, Cd – Bi, KCl – LiCl). На рис. 12 представлена диаграмма растворимости системы геленит (2CaO×Al₂O₃×SiO₂) — анортит (CaO×Al₂O₃×2SiO₂).

Рис. 12. Диаграмма состояния простой Рис. 13. Диаграмма состояния системы

(с одной эвтектикой) фаялит (Fe₂SiO₄) — форстерит (Mg₂SiO₄).

двухкомпомпонентной системы.

В случае, когда компоненты не образуют химических соединений и твёрдых растворов, добавки одного из компонентов всегда понижают температуру кристаллизации другого, т. е. если к жидкому компоненту (например, гелениту) добавить растворимый в нем компонент (анортит), то температура начала кристаллизации такого расплава будет ниже температуры плавления чистого компонента (геленита). Так, на рис. 12 это понижение проявляется на кривых aс и bc. Кривые, показывающие зависимость (ход) температуры начала кристализации смесей от состава, называются кривыми ликвидуса. Выше линий ас и bc геленит и анортит могут находиться только в расплавленном состоянии. Точка с, являющаяся точкой пересечения кривых ликвидуса, называется эвтектической точкой. В этой точке система инвариантна (f = 2 + 1 – 3 = 0). Она отвечает определенному составу эвтектики и самой низкой температуре кристализации смеси, называемой эвтектической температурой. Эвтектика – не твердый раствор, а микрогетерогенная смесь кристалов (в нашем случае кристалов геленита и анортита).

Линия, отвечающая температурам конца кристализации расплавов называется линией солидуса. На рис. 12 она представлена изотермой dce, проходящей при температуре 1365 ^оС.

Области диаграммы acd и bсe – гетерогенны; всякий расплав (раствор), фигуративная точка (точка на диаграмме состояния) которого находится в этой области, распадается на две равновесные фазы: кристаллы одного из компонентов (минералов) и жидкий расплав (раствор) определенного состава. Поле Adcx_э отвечает твердым смесям кристалов геленита и эвтектики. Поле x_эBec охватывает твердые смеси кристалов анортита и эвтектики.