Растворы и диаграммы состояния

Чтобы понять, как стали получают свою прочность, очень полезно элементарное понимание двух вещей: раствор и диаграмма состояния. Диаграмму состояния называют также диаграммой фазового равновесия и фазовой диаграммой.

Жидкий раствор возникает, когда какое-либо вещество растворяется в жидкости как соль в воде. Твердый раствор аналогичен жидкому, как, например, раствор соли в льде. Субстанция, которая растворяется в растворе (соль в растворе соли, углерод в стали) теряют свою идентичность и скрываются из виду, так они поглощаются раствором. Растворы являются однородными и имеют одинаковую молекулярную или атомную структуру в каждой своей точке. Каждый раствор называется фазой.

Раствор

Идею раствора можно объяснить простым примером. Положите чайную ложку поваренной соли в стакан с водой. Сначала вся соль будет лежать на дне стакана. Однако после хорошего перемешивания воды ложкой вся соль исчезнет и останется только прозрачная вода.

Что случилось с солью? Поваренная соль состоит из молекул NaCl. Когда соль переходит в раствор, отдельные молекулы разделяются на составляющие их атомы. Эти атомы находятся в окружении молекул воды в виде заряженных атомов – ионов.

Молекула поваренной соли распадается, следуя реакции
NaCl —› Na+ + Cl, где символ Na+ обозначает положительно заряженный ион натрия, а символ Cl — отрицательно заряженный ион хлора. Твердую соль не видно, потому что химические связи, которыми атомы были соединены в молекулу, разорваны. Бывшая твердая структура соли исчезла, а ее составляющие ее атомы поглотились жидкой водой и разместились между молекулами воды.

Раствор хлористого кальция против гололеда

Обычно, если раствор образуется путем растворения чего-нибудь в жидкости, то температура замерзания этой жидкости понижается. Именно поэтому в зимние месяцы на дорогах и тротуарах для борьбы с гололедом применяют хлористый кальций. Эта соль растворяется в дождевой или талой воде и снижает ее температуру замерзания. Поэтому лед не образуется даже при опускании температуры воды ниже нуля.

Этот эффект показан графически на рисунке 1. Температура воды откладывается по вертикали, а по горизонтали – количество растворенной в воде соли. Количество растворенной соли указано в процентах его массы к общей массе раствора. Обычно для описания растворенного вещества применяют два термина. Величину 10 % хлористого кальция называют концентрацией соли в растворе или составом раствора.    

На рисунке 1 можно видеть, что после некоторой концентрации соли температура замерзания неожиданно начинает быстро подниматься. Эта концентрация называется эвтектической концентрацией, о которой будет речь в статье о фазовой диаграмме стали – фазовой диаграмме железо-углерод.

xloristyy-natriy-xloristyy-kalciyРисунок 1 — Понижение температуры замерзания воды при растворении солей

Диаграмма состояния

Геометрический порядок молекул воды (то, что называют молекулярной структурой) является одинаковой в каждой точке воды. Вода в этом смысле является жидкой фазой. Аналогично, молекулярная структура льда является также одинаковой во всех его точках, и лед также является фазой – твердой фазой. Однако молекулярная структура льда и воды очень сильно различаются друг от друга, одна из них – жидкая, другая – твердая. Поэтому жидкая вода и лед – это две различных фазы.

Как показано на рисунке 1 точка замерзания воды снижается, когда в ней растворяется соль с образованием раствора. Молекулярная структура этого солевого раствора почти такая же как и у чистой воды, так как ионы соли располагаются между молекулами воды без нарушения их геометрического порядка относительно друг друга. Поэтому чистая вода и солевой раствор, возникающий при растворении в воде соли, являются одной и той же фазой.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния раствора. Она показывает в координатах температура-концентарция какие фазы или смесь фаз могут существовать в данном растворе. На рисунке 2 показана часть диаграммы состояния раствора хлористого кальция в воде.

diagramm-sostoyaniya-xloristogo-kalciyaРисунок 2 — Часть диаграммы состояния водного раствора хлористого кальция

Диаграмма состояния водного раствора хлористого кальция

Также как и на рисунке 1 по вертикали отсчитывается температура, а по горизонтали – концентрация по массе хлористого кальция. Линия температуры замерзания для жидкого солевого раствора находится там же, что и на рисунке 1, только сейчас резкий подъем температуры замерзания выше эвтектической концентрации расширен до максимальной температуры диаграммы. Заштрихованная область выше линии температуры замерзания, которая обозначена надписью «Жидкость», показывает все возможные координаты в осях «температура»-«концентрация соли» где возможно существование жидкой фазы. Заметим, что на самом левом крае диаграммы есть тонкая область, которая обозначена «Твердый лед». Этот твердый лед имеет ту же молекулярную структуру, что и чистый лед, но содержит в себе очень небольшое количество растворенной соли. Это та же фаза, что и чистый лед. Поэтому эта тонкая область – это область существования твердого льда.

Правило рычага диаграммы состояния

Рассмотрим солевой раствор с концентрацией хлористого кальция 5 %, который охлаждении до температуры –40 °С (маленький кружок на диаграмме рисунка 2). Эта точка фазовой диаграммы не лежит ни в «жидкой», ни в «твердой» областях диаграммы. Этот раствор при –40 °С не может быть ни полностью твердым, ни полностью жидким. На диаграмме рисунка 2 показана горизонтальная линия со стрелками на обоих концах, обозначенная буквами А и В. Диаграмма указывает нам, что этот пятипроцентный раствор при температуре –40 °С является смесью твердого льда, имеющего состав А (примерно 7 % соли) и жидкоcти, имеющей состав В (приблизительно 28,3 % соли). Этот раствор, в зависимости от долей льда и жидкости можно называть ледяной «кашей», «шугой», «слякотью» — смесью льда и жидкого раствора соли.

Раствор в любой точке заштрихованной области диаграммы состояния – это смесь жидкого раствора соли льда. Таким образом, фазовая диаграммы показывает какие фазы или смеси двух фаз могут существовать для каждой точки в координатах «температура-концентрация». Кроме того, для двухфазных областей (заштрихованная область) диаграмма также предсказывает состав каждой из двух фаз при данной температуре. Однако для однофазных твердых фаз или однофазных жидких фаз диаграмма ничего не может сказать о составе фазы при какой-либо температуре.