background image

 

1

Równowaga 

ciecz - kryształ 

w układach 

dwuskładniko

wych 

(a)

Waldemar Ufnalski

Wprowadzenie do termodynamiki 

chemicznej

Wykład 13a

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

2

13.1. Fakty 

doświadczalne i ich 

znaczenie praktyczne

Wykład 13a

background image

 

3

Rozpuszczanie ciał stałych w cieczach:

 

Otrzymywanie ciekłych roztworów 

reakcyjnych
 Selektywne wymywanie składników mieszanin 
(zanieczyszczeń

)

 Technologia stopów (metalurgia, 
ceramika)

Krystalizacja

 Wydzielanie i oczyszczanie produktów reakcji

Procesy w przyrodzie

 Tworzenie skał magmowych i osadowych
 Erozja

 

Procesy metaboliczne

 Gospodarka wapniem, fosforem, ...

background image

 

4

13.2. Reguła faz 

Wykład 13a

background image

 

5

Reguła faz....

Liczba stopni swobody:

2

k

(1)

Pomija się ciśnienie jako parametr oraz fazę gazową:

1

skond

k

(2)

Dla k = 2

3

maks

skond

(3)

Liczba faz        Liczba stopni swobody
       1                 2 (temperatura i skład fazy)               
       2                 1 (temperatura lub skład jednej fazy)
       3                 0 (układ inwariantny)

background image

 

6

13.3. Układ eutektyczny 
prosty

Wykład 13a

background image

 

7

Układ eutektyczny prosty....

Składniki A i B:

• 

Są względem siebie biernie chemicznie 

(czyli nie tworzą związków)
 Mieszają się bez ograniczeń w fazie ciekłej 
(układ może zwierać tylko jedną fazę ciekłą)
Nie mieszają się w ogóle w fazie stałej (fazy 
stałe są kryształami czystych składników A 
lub B).

background image

 

8

Układ eutektyczny prosty....

Układ w stanie równowagi może zawierać:

• 

jedną fazę ciekłą (roztwór A + B):   

 = 2 (T, 

x

B

)

 kryształy A oraz fazę ciekłą (A + B) - roztwór 

nasyconym względem A:  

 = 1 (T)

 kryształy B oraz fazę ciekłą (A + B) - roztwór 

nasycony względem B :  

 = 1

 

(T)

• 

k

ryształy A i B (dwie fazy stałe) oraz fazę 

ciekłą (roztwór A +B) :  

 = 0 ; eutektyk - 

punkt eutektyczny

 dwie fazy stałe - kryształy A oraz B: 

 = 1 (T)

background image

 

9

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

A

(s

)

roztw
ór 
A+B: 
x

B

x

A

(T) - równanie likwidusu (składu 

roztworu nasyconego)  względem A

Warunek równowagi dyfuzyjnej:

 

A

c

A

s

A

x

T

T

,

)

(

)

*(

(4)

 

 

A

A

c

o

A

s

A

T,x

a

RT

T

T

ln

)

(

,

)

*(

 

 

RT

T

T

T,x

a

s

A

c

o

A

A

A

)

*(

)

(

,

ln

(5)

background image

 

10

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

Wobec:

(4)

(5)

 

2

T

H

T

T

T

P





 

 

 

2

top

2

RT

T

H

RT

T

H

T

H

dT

T,x

a

d

A

s

A

c

o

A

A

A

)

*(

)

(

,

ln

Równanie różniczkowe likwidusu

background image

 

11

H

m

T

c

s

T*

A

to

p

H

A

(T

)

top

H*

A

C

p

T

c

s

T*

A

to

p

C

p

A

(T

)

top

C

p

*

A

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

Zależność entalpii 
od temperatury

Zależność pojemności 
cieplnej od temperatury

background image

 

12

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

Wobec:

(6)

(7)

 

 

 

 

 

 

T

C

T

C

T

C

T

T

H

T

T

H

T

T

H

A

P

top

s

A

P

c

o

A

P

P

s

A

P

c

o

A

P

A

top

,

)

(

*,

,

)

(

,

,

)

(

)

(

,













 

 

*

*

,

*

,

*

*

A

A

P

top

A

top

T

T

A

P

top

A

top

A

top

T

T

C

H

dT

T

C

H

T

H

A

dT

RT

T

T

C

H

a

d

A

A

P

top

A

top

A

2

*

*

,

*

ln

Równanie różniczkowe likwidusu

background image

 

13

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

Scałkowanie (T*

A

  T)

(8b
)

(8
a)

równanie likwidusu składn. A

 

 

*

*

,

*

*

*

,

*

*

*

ln

ln

A

A

P

top

A

A

A

P

top

A

A

top

A

A

A

T

T

R

C

T

T

T

T

R

C

T

H

T

a

T

a





Wobec a

A

(T*

A

) = 1

 

*

*

,

*

*

*

,

*

*

ln

ln

ln

A

A

P

top

A

A

A

P

top

A

A

top

A

A

A

T

T

R

C

T

T

T

T

R

C

T

H

x

T

a





 

*

*

,

*

*

*

,

*

*

ln

ln

ln

B

B

P

top

B

B

B

P

top

B

B

top

B

B

B

T

T

R

C

T

T

T

T

R

C

T

H

x

T

a





Symetrycznie:

background image

 

14

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

(9b
)

(9
a)

Równania likwidusów

Wobec:

*

/

*

/

*

/

B

A

B

A

top

B

A

top

T

H

S

 

*

*

,

*

*

,

*

ln

ln

ln

A

A

P

top

A

A

P

top

A

top

A

A

A

T

T

R

C

T

T

T

R

C

S

x

T

a





 

*

*

,

*

*

,

*

ln

ln

ln

B

B

P

top

B

B

P

top

B

top

B

B

B

T

T

R

C

T

T

T

R

C

S

x

T

a





background image

 

15

Układ eutektyczny prosty - równanie 
likwidusu....

(11
)

(1
0)

Przybliżenie Schrődera:

0

*

,A

P

top

C

 

 









T

T

T

R

S

x

T

a

T

T

T

R

S

x

T

a

B

B

top

B

B

B

A

A

top

A

A

A

*

*

*

*

ln

ln

ln

ln

Przybliżenie Malesińskiego:

*

*

,

A

top

A

P

top

S

C

 

 

*

*

*

*

ln

ln

ln

ln

ln

ln

B

B

top

B

B

B

A

A

top

A

A

A

T

T

R

S

x

T

a

T

T

R

S

x

T

a

background image

 

16

Układ eutektyczny prosty doskonały....

(12
)

Jeżeli założyć dodatkowo doskonałość w sensie 
prawa Raoult'a roztworów nasyconych 

równania likwidusów prostych doskonałych

 

 

*

*

,

*

*

,

*

*

*

,

*

*

,

*

ln

ln

ln

ln

B

B

P

top

B

B

P

top

B

top

B

A

A

P

top

A

A

P

top

A

top

A

T

T

R

C

T

T

T

R

C

S

T

x

T

T

R

C

T

T

T

R

C

S

T

x









background image

 

17

(14
)

(1
3)

Przybliżenie Schrődera:

 

 









T

T

T

R

S

T

x

T

T

T

R

S

T

x

B

B

top

B

A

A

top

A

*

*

*

*

ln

ln

Przybliżenie Malesińskiego:

 

 

*

*

*

*

ln

ln

ln

ln

B

B

top

B

A

A

top

A

T

T

R

S

T

x

T

T

R

S

T

x

Układ eutektyczny prosty doskonały....

background image

 

18

T

B

A

x

B

T

E

T*

B

T*

A

x

A

(T

)

E

x

B

(T

)

Układ eutektyczny prosty doskonały....

Interpretacja graficzna :

background image

 

19

T

B

A

x

B

T

E

T*

B

T*

A

x

A

(T

)

E

x

B

(T

)

A + 
B

c

A + 
c

B + 
c

Układ eutektyczny prosty doskonały....

Diagram fazowy:

background image

 

20

T

B

A

x

B

T

E

T*

B

T*

A

l

A

E

l

B

R

S

a

a

b

b

S

A

B

R

a

b

A

B

S

Układ eutektyczny prosty....

Bilans materiałowy - reguła dźwigni:

a• n

A

 = b• n

R

 

a• n

B

 = b• n

R

 

a• n

A

 = b• n

B

 

background image

 

21

Układ eutektyczny prosty doskonały....

K

T

B

A

/

*

/

R

S

B

A

top

/

*

/

4 0 0 ,0

6 0 0 ,0

1 ,0

2 0 0 ,0

3 0 0 ,0

2 ,0

2 8 2 ,8

4 2 4 ,3

5 ,0

3 4 8 ,2

5 2 2 ,3

1 0 ,0

3 7 3 ,2

5 5 9 ,8

2 0 ,0

3 8 6 ,4

5 7 9 ,6

Wpływ entropii topnienia na temperaturę 
eutektyczną (Założono T*

A

 = T*

B

 oraz 

top

S*

A

 = 

top

S*

 x

BE

 = 1/2 )

background image

 

22

Układ eutektyczny prosty doskonały....

Podstawy kriometrii ...

x

B

T

T

A

T*

A

top

T

A

0

A

1-
x

A

*

*

*

*

*

*

*

*

*

ln

ln

ln

ln

A

top

A

top

A

top

A

top

A

t

A

A

top

A

t

A

top

A

T

T

R

S

T

T

R

S

T

T

T

R

S

T

T

R

S

a









1

1

(15
)

background image

 

23

Układ eutektyczny prosty doskonały....

Podstawy kriometrii ...

(16a/b)

Wobec x

A

 > 0,9

a

A

   x

A

*

*

ln

ln

A

top

A

top

B

A

T

T

R

S

x

x

 1

*

*

A

top

A

top

B

T

T

R

S

x

B

A

top

A

top

x

S

RT

T

*

*

)

(

)

(

B

m

A

k

top

c

K

 

*

*

*

*

)

(

A

top

A

A

A

top

A

A

A

k

H

M

T

R

S

M

RT

K

1000

1000

2

Stała krioskopowa
rozpuszczalnika

background image

 

24

Układ eutektyczny prosty doskonały....

Zastosowania kriometrii:

Wyznaczanie mas molowych 
Kryterium czystości (synteza organiczna, 
materiały dla mikroelektroniki)
Termodynamika roztworów rozcieńczonych

 

Typowe wartości K

k

/(K·mol

-1

·kg)

W od a

1,853

B en zen

5,070

tetr ach lor om etan

29,8

k am for a

40,0

background image

 

25

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Metodyka badań:

Sporządzić mieszaninę składników A + B o 

założonym składzie (x

B

); umieściś ją w tyglu 

zaopatrzonym w termometr (termoparę)

Ogrzać układ do całkowitego stopienia 

mieszaniny

Chłodzić układ zachowując możliwie stałą 

szybkość wymiany ciepła i rejestrować zmiany 
temperatury w funkcji czasu

Wykreślić i zinterpretować „krzywą chłodzenia” 

tzn. temperaturę układu w funkcji czasu. A

(s)

 

background image

 

26

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

Czysty składnik A

background image

 

27

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Czysty składnik B

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

28

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Roztwór x

B

 = 0,250

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

29

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Roztwór x

B

 = 0,750

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

30

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Roztwór x

B

 = 0,500

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

31

Układ eutektyczny prosty 
doskonały....

Analiza termiczna (krzywe chłodzenia)...

Roztwór eutektyczny x

B

 = 0,4016

350

400

450

500

550

600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

T

E

350

400

450

500

550

600

0

250

500

750

1000

Czas/s

T

/K

background image

 

32

Układ eutektyczny 
prosty ....

Zastosowania:

Stopy lutownicze dla potrzeb elektroniki (Pb - Sn 
- Cd)
Niskotopliwe stopy eutektyczne 
(wieloskładnikowe); T

top

 < 100

o

C - samoczynne 

bezpieczniki przeciwpożarowe.
Płyny niezamarzające do chłodnic 
samochodowych
 (1,2 - etanodiol - woda; t

E

 = -40

o

C) 

Walka z gołoledzią (NaCl - woda : t

E

 = -21

o

C; 

CaCl

2

 - woda : t

E

 = -50

o

C)

.....

background image

 

33

Układ eutektyczny prosty - 
rozpuszczalność....

200

250

300

350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B

B

(s)

 + l

B

l

B

T*

B

 >> T*

A

T

E

  T*

A

x

BE

  0

A - 

rozpuszczalnik

B - substancja 

rozpuszczona

l

B

 - krzywa 

rozpuszczalności

background image

 

34

Układ eutektyczny prosty - 
rozpuszczalność....

Wpływ temperatury topnienia

T*

B2

 > T*

B1

x

B2

 < x

B1

200

250

300

350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B1

T*

B2

x

B1

x

B2

background image

 

35

Układ eutektyczny prosty - 
rozpuszczalność....

Wpływ entropii topnienia

t

S*

B2

 > 

t

S*

B2

 

x

B2

 < x

B1

200

250

300

350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

A

B

T*

A

T*

B1/2

B

1

B

2

x

B1

x

B2

background image

 

36

Układ eutektyczny prosty - 
rozpuszczalność....

Wpływ niedoskonałości roztworu

G

E

 > 0 

x

B

 < x

Bdosk

x

B

250

300

350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

---doskonała

---rzeczywista

T*

B

x

B

dos

k

x

B

background image

 

37

Układ eutektyczny prosty - 
rozpuszczalność....

Wpływ niedoskonałości roztworu

G

E

 < 0 

x

B

 > x

Bdosk

250

300

350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x

B

T

/K

---doskonała

---rzeczywista

T*

B

x

B

dosk

x

B

background image

 

38

Połowy dokonał, kto zaczął.

Horacy - Quintus Horatius Flaccus 

(65 p.n.e. - 8 n.e.) - poeta rzymski.


Document Outline