Построение диаграммы плавления бинарной смеси.

Цель работы: построение диаграммы плавления и её анализ.

Целевые задачи: освоение принципов построения диаграмм состояния двухкомпонентных систем и их анализа.

Если два твердых вещества смешать друг с другом в определенных пропорциях и смесь нагреть до высокой температуры, то, как правило, образуется однородная жидкость (расплав), представляющая собой раствор одного компонента в другом. При охлаждении такого расплава до определенной температуры он начнет кристаллизоваться, поскольку растворимость веществ друг в друге с понижением температуры уменьшается.

При кристаллизации жидких систем могут выделяться как чистые компоненты и образуемые ими химические соединения, так и твердые растворы. В зависимости от того, какая фаза выделяется из раствора, двухкомпонентные системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии могут быть разделены на типы, из которых для изучения лекарственных веществ наиболее важны следующие:

1. Без химических соединений и твердых растворов.

2. С образованием устойчивого химического соединения (плавящегося конгруэнтно).

3. С образованием неустойчивого химического соединения (плавящегося инконгруэнтно).

4. С неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Диаграммы состояния изображают равновесия между всеми фазами, образуемыми компонентами системы при различных концентрациях и температурах и при постоянном давлении. В случае изображения равновесий между расплавом и твердыми фазами такие диаграммы называются диаграммами плавления (плавкости).

Диаграммы плавления обычно строятся на основе данных термического анализа. Из способов термического анализа рассмотрим построение кривых охлаждения.

Кривые охлаждения строятся на основании эксперимента по охлаждению расплавленных веществ с непрерывным контролем температуры (см. рис.). Кривые охлаждения чистых веществ и эвтектических смесей имеют одну ступеньку, соответствующую их температуре кристаллизации (или плавления). На кривых охлаждения смесей кроме ступенек имеются изломы (см. рисунок ниже), отвечающие появлению кристаллов компонента, присутствующего в избытке (или их плавлению в случае нагревания).

Т, оС   а б г д е в время

Кривые охлаждения: а - чистый компонент А; б - 10% компонента В; в -чистый компонент В; г -20% В; д -60% В; е - 80% В.

На основе данных, полученных с помощью кривых охлаждения строятся диаграммы плавления в координатах температура – состав:

Диаграмма плавления: Э - эвтектическая точка; Л - линия ликвидуса; Т_э - температура эвтектики; С - линия солидуса; Ж - жидкая фаза; Тв - твердые фазы.

Для построения диаграммы плавкости на неё наносят точки, отвечающие температурам изломов и ступенек на кривых охлаждения смесей с соответствующим составом (в массовых или мольных процентах), которые затем соединяют линиями ликвидуса и солидуса. Область на диаграмме выше ликвидуса отвечает жидким расплавам, область ниже солидуса – твердым кристаллам обоих компонентов (две твердые фазы), области между ликвидусами и солидусом – гетерогенным системам (жидким расплавам, в которые погружены кристаллы одного из компонентов, а именно того, который присутствует в количестве, большем по сравнению с его содержанием в эвтектике). Точка Э на диаграмме плавления, в которой пересекаются ликвидусы и солидус, соответствует эвтектической смеси (или эвтектике). Она представляет собой смесь компонентов с определенным составом, плавящуюся и отвердевающую подобно чистым веществам при постоянной температуре (температуре эвтектики).

Соотношение масс жидкой и твердой фазы в гетерогенной системе можно определить по правилу рычага. Например, для системы с составом Х при температуре Т_х, если состав выражен в массовых процентах,

(при этом длина отрезка КМ пропорциональна общей массе смеси).

В том случае, когда компоненты смеси А и В образуют устойчивое химическое соединение, которое может быть выделено в твердом виде, на диаграмме плавления появляется максимум, отвечающий составу этого соединения и его температуре плавления. Такие соединения называют конгруэнтно плавящимися (см. рисунок ниже). В таких системах имеются две точки эвтектики (Э₁ и Э₂).

Для систем с химическим соединением состав на диаграммах удобнее указывать в мольных процентах (или мольных долях), так как при этом можно легко определить состав соединения. Например, если максимум соответствует составу 50 мольн.% А + 50 мольн.% В, то соединению отвечает формула А·В, а если максимум приходится на состав 25 мольн.% А + 75 мольн.% В, то соединение имеет формулу А·3В (или АВ₃).

При образовании в системе неустойчивого химического соединения (плавящегося инконгруэнтно) на одном из ликвидусов появляется излом, положение которого отвечает составу этого соединения:

T T     A x B состав

Если компоненты смеси не выделяются из расплава в виде самостоятельной фазы, а образуют смешанные кристаллы неопределенного состава (изоморфные смеси или твердые растворы), то диаграммы плавления таких смесей принимают вид:

1- кривая затвердевания расплава

2- кривая плавления твердого раствора.