IMT1_004 דיאגרמת פאזות

גבול המסיסות, פאזות

גבול מסיסות

לתמיסות רבות בטמפרטורה מסוימת, יש גבול מסוים לריכוז האטומים שמוססים בחומר הממס. גבול זה נקרא גבול המסיסות. הוספה של מומס מעבר לגבול זה תגרום להיווצרות של תמיסה מוצקית או תרכובת בעלת הרכב שונה.

למשל, ניקח דוגמה של סוכר במים (). בהתחלה, מסיפים סוכר למים, ונוצר תמיסת סוכר-מים. ככל שיותר סוכר מוסף, התמיסה נהיית יותר ויותר עשירה בסוכר. בשלב מסוים, התמיסה לא מסוגלת להמיס יותר סוכר, וכל גרגיר סוכר שמוסף יישקע לתחתית התמיסה.
כעת, המערכת מכילה שני חומרים שונים - תמיסת סוכר-מים נוזילת, וגבישי מלח מוצקים.
גבול המסיסות של סוכר במים תלויה על הטמפרטורה של מים וניתן להציג אותה בצורה גרפית - דיאגרמת פאזות:

פאזה

פאזה מוגדרת כחלק הומוגני של מערכת בעלת מאפיינים פיזיקליים וכימיים אחידה. כל חומר טהור נחשב פאזה. למשל, תמיסת סוכר-מים היא גם פאזה אחת, וגביש המלח הוא פאזה אחרת - לכל אחד מאפיינים שונים.
כאשר במערכת יש פאזה יחידה, אומרים שהיא הומוגנית (לא ממ”ל הומוגנית, לא מד”ר הומוגנית, לא מד”ר מטיפוס הומוגני). כאשר יש יותר מפאזה יחידה, נאמר כי המערכת הטרוגנית. רוב הסגסוגות המתכתיות, החומרים הקרמיים והפולימרים הם הטרוגנים.

דיאגרמת פאזות בינארית

דיאגרמת פאזות כפי שהוצג במבוא לכימיה, היא גרף המתאר את הפאזה של מערכת מסוימת תחת נתונים שונים כמו טמפרטורה, לחץ או ריכוז.

דיאגרמת פאזות בינארית היא סוג של דיאגרמת פאזות המתארת את הפאזות של שני חומרים שונים בערבוב, תחת טמפרטורות שונות, ולחץ קבוע, לרוב .

בנושאים הבאים, נעסוק בהתחלה בדיאגרמת פאזות בשיווי משקל. לחומרים לוקח זמן לעבור מפאזה אחת לפאזה אחרת. לאחר זמן רב (), הם מגיעים לשיווי משקל. דיאגרמת פאזות בשיווי משקל מתארת רק את הפאזות של החומר לאחר שהוא הגיע לשיווי משקל - היא לא לוקחת בחשבון איך הוא הגיע לשיווי משקל זה (כמה מהר/כמה לאט).

ניקח לדוגמה את דיאגרמת הפאזות של נחושת-ניקל:

בציר האנכי הטמפרטורה, ובציר האופקי אחוז הניקל בסגסוגת (במשקל). נשים לב כי מתוארים לנו 3 אזורים:

1. אזור - פאזה מוצקה של ניקל ונחושת בעלי מבנה FCC. בטמפרטורות מתחת ל-, נחושת וניקל מוססים אחד בשני בפאזה המוצקה שלהם. ניתן להסביר את המסיסות הזאת ע”י כך שגם לנחושת וגם לניקל יש את אותו מבנה FCC, רדיוס אטומי ואלקטרושליליות כמעט זהים. לכן, מערכת זו היא איזומורפית - כאשר שני חומרים מוססים אחד בשני גם בפאזה מוצקה וגם בפאזה נוזלית.
   2.אזור - אזור דו-פאזי - גם מוצק וגם נוזל.
2. אזור - פאזה נוזלית הומוגנית של נחושת וניקל.

לקו המפריד בין ל- נקרא קו ליקווידוס (Liquidus). לקו המפריד בין ל- נקרא קו סולידוס (Solidus).

דיאגרמת פאזות במסיסות מלאה

בנקודה בגרף הקודם, קל לנו להסיק מהו ההרכב של התמיסה - נחושת ו- ניקל בפאזה מוצקה.
אבל, בנקודה יש לנו 2 פאזות. כיצד נוכל להסיק כמה ניקל או נחושת יש בכל פאזה? נעשה zoom in:

נשרטט קו אופקי בנקודה, שנקרא איזותרמה, שחוצה את הסולידוס והליקווידוס. נקודת המפגש של האיזותרמה עם הסולידוס ייצג את הרכב המוצק (אצלנו, ניקל). נקודת המפגש של האיזותרמה עם הליקווידוס ייצג את הרכב הנוזל (אצלנו, ניקל).

את כמות הפאזה באזור הדו-פאזי גם טיפה יותר קשה לחשב מאשר החישוב הטריוויאלי באזור חד-פאזי (יש פאזה אחת, אז כמות הפאזה היא ).

אם נביט בגרף, נשים לב כי הנקודה קרובה יותר לאזור מאשר ל- . למעשה, בעזרת האיזותרמה, קל לראות כמה יותר קרוב - יחס של לפי הגרף. ככל שהוא יותר קרוב לאזור , כמות הפאזה הנוזלית בנקודה זו יותר גדול (יחס הפוך) - אז כדי לקבל את היחס בין כמות הפאזה הנוזלית לכמות הפאזה המוצקה, נחשב את . מכך נסיק כי יחס הפאזה בסגסוגת לכלל הסגסוגת היא:

נוסחה:

באותו אופן עבור הפאזה :

נוסחה:

כיוון שהם יחסים, נסיק כי מקיימים:

דיאגרמת פאזות במסיסות חלקית

דיאגרמת מסיסות מלאה מראה על קיום פאזה יחידה שבה מרכיב מתמוסס מרכיב באופן מלא ורציף (ולהיפך) ללא הגבלה ( מסיסות). אבל יכולת התמוססות של מרכיב אחד בשני יכולה להיות מוגבלת ותלויה בטמפרטורה. במצב כזה תתקבל דיאגרמת מסיסות חלקית (נפוצה יותר ברוב החומרים). לדוגמה, דיאגרמת נחושת-כסף:

הסימונים מייצגים:

• הסימון היא תמיסה מוצקה - אטומי בתוך סריג של אטומי . המבנה הגבישי של זהה למבנה הגבישי של .
• הסימון היא גם תמיסה מוצקה - אטומי בתוך סריג של אטומי . גם כאן המבנה הגבישי של זהה למבנה הגבישי של .
• גבול המסיסות - הריכוז המרבי של מומס שניתן להוסיף לפאזה הממיסה מבלי ליצור פאזה חדשה. גבול המסיסות של ב- מסומן ב-, וגבול המסיסות של ב- מסומן ב-.

בנוסף, חוץ מקו הסולידוס וקו הליקווידוס, נוסף קו הסוליבוס (solvus) - הקו המפריד בגבול המסיסות בין שני האזורים המוצקים ו- (או ו-).

ומה קורה בנקודה ? נקודה זו נקראת נקודה אוטקטית והיא מתארת תגובה אוטקטית - מעבר פאזה של נוזל לשני מוצקים במבנה שכבתי של פאזה ו-פאזה . את נקודה זו מסמנים ב-. נשים לב כי המעבר נעשה בריכוז וטמפרטורה קבועים ויחידים - אצלנו ב- ו-, כאשר לקו אנו קוראים איזותרמה/טמפרטורה אוטקטית (). את התגובה האוטקטית ניתן לרשום באופן הבא:

נוסחה:

למשל עבור המערכת נחושת-כסף:

מיקרומבנים

תלוי בהרכב, מבנים שונים אפשריים לקירור האיטי של הסגסוגות. ניקח דיאגרמת פאזות של בדיל-עופרת ונביט בישר האנכי המתאר את ההרכב .

ככל שמקררים את הסגסוגת מ- עד ל- אין שינוי פאזות - הוא נשאר נוזל. כאשר הוא חוצה את קו הליקווידוס, גבישים בפאזה מתחילים להיווצר. גבישים נקראים לפעמים גרעינים או נבטים. ככל שהוא מתקדם לקו הסולידוס, הגבישים גדלים, עד שנוצר לנו בקו הסולידוס סגסוגת רב גבישית עם הרכב אחיד .

נביט כעת בקו אנכי טיפה יותר ימינה - :

קיבלנו תוצאה ממש דומה, אבל לעומת , ב- יש לנו גם את קו הסוליבוס. כאשר מקררים את הסגסוגת עד לקו זה, אנו חוצים את גבול המסיסות של , מה שגורם להיווצרות של גבישי זעירים.

נביט כעת במקרה המיוחד - :

במקרה זה, ככל שהטמפרטורה יורדת, אין שום שינוי במבנה עד שמגיעים לטמפרטורה האוטקטית . כאשר עוברים אותה, הנוזל הופך לשתי פאזות . נוכל לתאר אותה ע”י התגובה:

כתוצאה מהתגובה נוצר מבנה מוצק הבנוי משכבות מתחלפות של ו- הנקראים לפעמים למלה. המבנה הזה, המוצג בנקודה , נקרא מבנה אוטקטי.
השינוי במבנה המלווה את הטרנספורמציה האוטקטית מוצגת בשרטוט הבא:

ניתן לראות את את האוטקט גודל לתוך ומחליף את הפאזה הנוזלית. החצים מראים את כיווני הפעפוע של האטומי עופרת והבדיל. אטומי עופרת מפעפעים לפאזת ה- כי זוהי הפאזה העשירה בעופרת. באותו אופן, אטומי הבדיל מפעפעים לפאזה ה-, כי זוהי הפאזה העשירה בבדיל.

אבל איך זה באמת נראה???

האזורים השחורים הם בפאזת עשירה בעופרת, והאזורים הלבנים הם בפאזת עשירה בבדיל.

המקרה האחרון שנדון בו (נסמנו ) מכיל את כל סוגי המבנים שראינו עד כה:

עד הנקודה כבר ראינו בחתך . אבל ברגע שאנו מגיעים מתחת לטמפרטורת האוטקט, הנוזל שנמצא בהרכב האוטקט, יהפוך למבנה האוטקטי כפי שראינו ב-. גבישי ה- שנוצרו כבר נשארים כמו שהם, ולכן אנו מקבלים את המבנה בעל גבישי ה-, והלמל .

ומה עם זה?? איך זה נראה???

שיואו איזה קרציה.

ניתוח הדיאגרמה

• את ההרכב של פאזה מסויימת מוצאים באמצעות איזותרמה (כמו בדיאגרמת פאזות במסיסות מלאה), ועל ידי חיתוך עם קו הליקווידוס, הסולידוס או הסוליבוס הרלוונטיים.
• את ההרכב של מבנה מסויים מוצאים ע”י איזותרמה בטמפרטורת היווצרות המבנה.
• כמות יחסית של פאזות באזור דו-פאזי מחושבת לפי חוק המנוף בטמפרטורה של הדגם, כמו במסיסות מלאה.
• כמות יחסית של מבנה מחושבת לפי חוק המנוף, בטמפרטורה האוטקטית (): תרגילים:

1. נתונה דיאגרמת הפרזות של המערכת קדמיום-עופרת ().
   
   עבור נתך המכיל :
   • אלו פאזות מכיל נתך זה בטמפרטורה של ?
     פתרון:
     נכון הגרף בחרא של רזולוציה אז סמכו עליי:
     
     לאחר שרטוט קו הנתח והאיזותרמה, נשים לב כי יש לנו נקודות חיתוך עם קו הסולידוס של (תמיסה מוצקה של עופרת עם מעט קדמיום), ועם קדמיום טהור - , ולכן אלו הם הפאזות.
     • מהי הכמות היחסית של פאזה () בטמפ’ החדר?
       פתרון:
       נעביר איזותרמה בטמפ’ החדר ונקבל:
     כעת לפי חוק המנוף:
     • מהי הכמות היחסית של המבנה האוקטטי בטמפ’ זו?
       פתרון:
       נביט באיזותרמה בטמפרטורת האוטקט ונשים לב כי:
     לפי חוק המנוף: