Fazy ​​materii i diagramy faz

Taylor Davidson / EyeEm / Getty Images

A diagram fazowy jest graficzną reprezentacją nacisk oraz temperatura materiału. Diagramy fazowe pokazują stan materiał przy danym ciśnieniu i temperaturze. Pokazują granice między fazami i procesami zachodzącymi, gdy ciśnienie i/lub temperatura są zmieniane w celu przekroczenia tych granic. Ten artykuł przedstawia, czego można się nauczyć z diagramu fazowego i jak go czytać.

Diagramy fazowe - fazy materii i przejścia fazowe

Jest to przykład dwuwymiarowego diagramu fazowego przedstawiającego granice faz i kodowane kolorami regiony fazowe. Todd Helmenstine

Jedną z właściwości materii jest jej stan. Stany materii włączać solidny , płyn lub gaz fazy. Przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach substancja znajduje się w fazie stałej. Przy niskim ciśnieniu i wysokiej temperaturze substancja znajduje się w fazie gazowej. Faza ciekła pojawia się pomiędzy dwoma obszarami. Na tym diagramie punkt A znajduje się w pełnym obszarze. Punkt B znajduje się w fazie ciekłej, a punkt C w fazie gazowej.

Linie na diagramie fazowym odpowiadają liniom dzielącym dwie fazy. Linie te są znane jako granice faz. W punkcie na granicy faz substancja może znajdować się w jednej lub w innych fazach, które pojawiają się po obu stronach granicy. Fazy ​​te istnieją w równowadze ze sobą.

Na diagramie fazowym znajdują się dwa punkty zainteresowania. Punkt D to punkt, w którym spotykają się wszystkie trzy fazy. Gdy materiał ma takie ciśnienie i temperaturę, może istnieć we wszystkich trzech fazach. Ten punkt nazywa się potrójny punkt .

Innym interesującym punktem jest sytuacja, gdy ciśnienie i temperatura są wystarczająco wysokie, aby nie można było odróżnić fazy gazowej i ciekłej. Substancje w tym regionie mogą przybierać właściwości i zachowania zarówno gazu, jak i cieczy. Region ten jest znany jako region płynu nadkrytycznego. Minimalne ciśnienie i temperatura, w których to występuje, punkt E na tym wykresie, są znane jako punkt krytyczny.

Niektóre diagramy fazowe podkreślają dwa inne punkty zainteresowania. Punkty te występują, gdy ciśnienie jest równe 1 atmosferze i przecina linię graniczną faz. Temperatura, w której punkt przecina granicę ciała stałego/cieczy, nazywana jest normalną temperaturą zamarzania. Temperatura, w której punkt przecina granicę ciecz/gaz, nazywana jest normalną temperaturą wrzenia. Diagramy fazowe są przydatne do pokazania, co się stanie, gdy ciśnienie lub temperatura przesuną się z jednego punktu do drugiego. Kiedy ścieżka przecina linię graniczną, następuje zmiana fazy.

Nazwy zmian faz

Każde przekroczenie granicy ma swoją własną nazwę w zależności od kierunku przekraczania granicy.

Podczas przechodzenia z fazy stałej do fazy ciekłej przez granicę ciało stałe/ciecz materiał topi się.

Podczas przemieszczania się w przeciwnym kierunku, z fazy ciekłej do fazy stałej, materiał zamarza.

Podczas przechodzenia między fazą stałą a gazową materiał ulega sublimacji. W przeciwnym kierunku, z fazy gazowej do fazy stałej, materiał ulega osadzaniu.

Przejście z fazy ciekłej do fazy gazowej nazywa się parowaniem. Odwrotny kierunek, faza gazowa do fazy ciekłej, nazywa się kondensacją.

W podsumowaniu:
ciało stałe → ciecz: topienie
ciecz → ciało stałe: zamrażanie
ciało stałe → gaz: sublimacja
gaz → ciało stałe: osadzanie
ciecz → gaz: parowanie
gaz → ciecz: kondensacja

Istnieją inne fazy materii, takie jak plazma. Jednak zwykle nie są one uwzględniane w diagramach fazowych, ponieważ do utworzenia tych faz wymagane są specjalne warunki.

Niektóre diagramy fazowe zawierają dodatkowe informacje. Na przykład diagram fazowy substancji tworzącej kryształ może zawierać linie wskazujące różne możliwe formy kryształów. Diagram fazowy dla wody może obejmować temperatury i ciśnienia, przy których lód tworzy kryształy rombowe i sześciokątne. Diagram fazowy dla związku organicznego może obejmować mezofazy, które są fazami pośrednimi między ciałem stałym a cieczą. Mezofazy są szczególnie interesujące w technologii ciekłokrystalicznej.

Chociaż diagramy fazowe na pierwszy rzut oka wydają się proste, zawierają mnóstwo informacji dotyczących materiału dla tych, którzy uczą się je czytać.

Źródła

• Dorin, Henryk; Demmin, Piotr E.; Gable, Dorota L. Chemia: badanie materii (wyd. 4). Sala Prezydencka. s. 100-1 266-273. ISBN 978-0-13-127333-7.
• Papon, P.; Leblond, J.; Meijer, PHE (2002). Fizyka przejścia fazowego: koncepcje i zastosowania . Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-43236-4.
• Predel, Bruno; Hoch, Michael J.R.; Basen, Monte (2004). Diagramy fazowe i równowaga heterogeniczna: praktyczne wprowadzenie . Skoczek. ISBN 978-3-540-14011-5.
• Zemansky, Mark W.; Dittman, Richard H. (1981). Ciepło i termodynamika (wyd. 6). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-072808-0.