Равновесие в трехкомпонентных системах

⇐ ПредыдущаяСтр 49 из 115Следующая ⇒

В природе и промышленности часто встречаются различные водно-солевые системы: морская вода, минеральные источники, соляные озера, а также технологические растворы, сплавы, содержащие более двух компонентов.

Обычно в технологии стоит задача разделения родственных элемен-тов или выделения индивидуальных соединений в возможно более чистом виде. В обоих случаях важно располагать сведениями о растворимости соответствующих солей при их совместном присутствии и о составе образующихся в процессе кристаллизации твердых фаз. Число исследован-ных водно-солевых систем известно около 700. Экспериментальное исследование всех систем требует огромного труда и времени. Поэтому важно знать пути, которые позволили бы предвидеть конечный результат. Для описания фазовых равновесий в реальных многокомпонентных системах, например, в сплавах, во многих случаях достаточно знать диаграммы состояния для систем, состоящих их трех основных компонентов.

На равновесие трехкомпонентной системы, в которой оказывают влияние концентрация компонентов в системе, давление и температура, максимальное число термодинамических степеней свободы, т.е. независимых параметров состояния системы, равно четырем – давление, температура, концентрации двух компонентов х₁ и х₂, выраженные в массовых или мольных долях или в процентах. (S = 4, если ф = 1). При выбранных параметрах состояния системы (Р, Т, х₁, х₂) полная диаграмма состояния должна быть четырехмерной, что практически невозможно. В связи с этим состояние трехкомпонентной системы и равновесие фаз в ней рассматривают при постоянном давлении (P = const) и строят трехмерную пространственную диаграмму состояния в виде прямой трехмерной призмы.

Основанием такой призмы служит равносторонний треугольник состава, по высоте которого откладывается температура. При P = const S_усл. = 4 – ф.

Изучение равновесия в трехкомпонентной системе еще более упрощается при постоянных давлении и температуре. При этом можно использовать плоскую диаграмму состояния, которая является сечением трехгранной призмы, параллельным основанию (диаграмма состава).

При P = const

T = const

Графическое изображение состава

Трехкомпонентной системы

Для построения объемной диаграммы необходимо знать, как изображается состав трехкомпонентной системы, где число независимых параметров равно четырем – давление (Р), температура (Т) и концентрации х₁ и х₂ двух компонентов. Следует выбрать такую форму изображения на диаграмме, чтобы можно было определить концентрацию любого из трех компонентов, и в то же время все они должны быть связаны между собой, т.е. сумма трех концентраций должна быть равной 100% или сумма мольных долей – единице.

Рис. 6.54. Изображение состава трехкомпонентной системы

Чаще всего для изображения состава трехкомпонентной системы используют равносторонний треугольник. Вершины треугольника отвечают однокомпонентным системам (чистым веществам А, В, С), т.е. их стопроцентному содержанию или мольным долям, равным единице (рис. 7.1). Каждая сторона отвечает двухкомпонентным системам: А–В, В–С и А–С, и отражает составы двухкомпонентных систем.

Таким образом, фигуративная точка, лежащая на любой из сторон треугольника, изображает состав соответствующей двухкомпонентной системы, а фигуративная точка, находящаяся внутри этого треугольника – состав трехкомпонентной системы.

Как уже отмечалось раньше, состав может быть выражен в массовых, мольных, объемных долях или процентах. Для определения состава системы по положению точки в треугольнике и, наоборот, для нахождения точки в треугольнике определенного состава, применяют два равноценных метода:

1) метод Гиббса и 2) метод Розебома.

Метод Гиббса основан на следующем свойстве равностороннего треугольника: сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри равностороннего треугольника на его сторону равна его высоте (рис. 6.54), т.е. КD + КE + КF = ВН = 100%.

Согласно этому свойству точки, лежащие на прямой (LS), параллельной одной из сторон равностороннего треугольника (АС), противолежащей данной вершине (В), изображают составы с постоянным содержанием компонента В. Высота принимается за единицу или 100%. Содержание данного компонента будет отвечать длине перпендикуляра, опущенного на сторону, противоположную соответствующей вершине треугольника.

Рис. 6.56. Метод Розебома применительно

к трехкомпонентным системам

Например, в точке К (рис. 6.54) содержание компонента А характеризуется отрезком KF = 42, 1%, компонента В – отрезком КЕ = 34, 2%, компонента С – отрезком DK = 23, 7%.

Метод Розебома основан на другом свойстве равностороннего треугольника: сумма длин отрезков, проведенных из любой точки внутрь треугольника параллельно сторонам треугольника равна длине его стороны (рис. 6.55)

Следовательно, в этом случае за 100% (или единицу) берут сторону треугольника. Чтобы определить содержание соответствующего компонента в точке М (рис. 6.56), через эту точку проводят прямые, параллельные противоположным сторонам треугольника. Процентное содержание компонента А определяется отрезком МР (22, 7%), компонента В – отрезком МО (22, 7%) и компонента С – отрезком MN (54, 6%).

Метод Розебома широко распространен, т.к. позволяет судить о содержании в системе всех трех компонентов по делениям, нанесенным на одной стороне треугольника. Так, принимая сторону АС за 100% и учитывая, что МР = QC, MO = OQ и MN = AO, получим состав системы, изображенной фигуративной точкой М: процентное содержание компонента А характеризуется отрезком QC, компонента В – отрезком OQ и компонента С – отрезком АО.

Вообще, длина полученных отрезков MN, MP и MO оценивается с помощью сетки, покрывающей треугольник (рис. 6.57).

Сетка состоит из трех групп линий, параллельных сторонам треугольника, которые делят стороны и высоты на 10 или 100 частей.

Рис. 6.57. Диаграмма состояния трехкомпонентной системы

Отметим некоторое свойство треугольной диаграммы состава.

1. Линия, параллельная одной из сторон треугольника, соответствует смесям с одинаковым содержанием противолежащего компонента (рис. 6.55 линия LS).

2. Луч, проведенный из вершины треугольника до пересечения с противоположной стороной, отвечает системам с одинаковым соотношением концентраций двух компонентов. Например, точки, лежащие на прямой (BG), проходят через вершину треугольника (В) (рис. 6.55), изображают составы системы с постоянным соотношением концентраций двух других компонентов (А и С), т.е.

Если к смеси, содержащей два компонента (А и С), добавлять компонент (В), то точка, изображающая состав смесей, будет перемещаться в сторону вершин В.

⇐ Предыдущая 44 45 46 47 484950 51 52 53 Следующая ⇒