marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Category:

Растворимость и фазовые состояния



Про агрегатные состояния веществ все знают: твердое, жидкое, газообразное. Если ограничиться школьными сведениями, то в твердом веществе атомы не двигаются (слегка колеблются), в жидком - двигаются, но не очень активно, а в газообразном состоянии прямо-таки летают свободно, и расстояния между ними могут быть какие угодно большие.

Однако, если немножко углубиться в тему, то всплывают труднообъяснимые для школьника факты:
- при добавлении соли вода почему-то замерзает при более низкой температуре,
- кристаллы льда могут менять размеры даже при температуре ниже нуля (поэтому при скачках температуры в морозильнике они протыкают клетки, и качество мяса ухудшается, а замороженные овощи-фрукты-рыба могут превратиться в кашу),
- газы почему-то нагреваются при сжатии, а жидкости и вовсе несжимаемы.
В школе эти факты не обсуждаются или упоминаются без объяснений, но ведь и в вузе далеко не всё объясняют.

Посмотрим поближе на фазовую диаграмму стали:


Видим, что при нулевом содержании углерода альфа-железо (феррит) превращается в гамма-железо (аустенит) при температуре 912 С (точка G). Однако при добавлении углерода С температура формирования аустенита снижается (участок G-S), и при 0,77% содержании углерода она минимальная (727 С).

Быстренько подсчитаем, каково соотношение атомов С и Fe при такой массовой доле углерода:



что означает, что на один атом углерода приходится примерно 28 атомов железа (здесь 55,85 - масса атома железа, 12 - масса атома углерода).

То есть, вплоть до соотношения C:Fe=1:28 добавление атомов углерода укрепляет связь между кластерами аустенита (участок G-S). Именно между кластерами, а не между зернами аустенита, поскольку зерна аустенита очень крупные, их видно под микроскопом, а группы из 30 атомов ни под каким микроскопом не разглядеть.

Дальнейшее добавление углерода (свыше 0,77%) приводит к ослаблению связей кластеров, поскольку температура формирования сплошной аустенитной структуры начинает расти (участок S-E). О чем это может говорить? Может быть, о том, что у кластера есть некое конечное количество точек, в которые могут встать углероды, укрепляющие структуру? А когда такие свободные точки заканчиваются, дополнительные углероды начинают ослаблять структуру?



"Растворимость" углерода в аустените ограниченная: при 760 С от 0,52% до 0,85%, при 800 С от 0,3% до 0,95%. Прямо как в водных растворах - растворимость примеси растет с температурой.

Сплошная структура аустенита может существовать максимум до 2,14% углерода.



Это соотношение С:Fe=1:10. После этого между зернами аустенита появляется жидкость или зерна цементита (Fe3С), в зависимости от температуры. Получается, между кластерами умещается ограниченное число атомов углерода? И опять же видим, что лишний углерод ослабляет связи зерен аустенита, а уменьшение числа углеродов сохраняет структуру сплошного аустенита при повышенной температуре (участок E-I на фазовой диаграмме).

Углерод в количестве от 2,14 до 4,3% снижает температуру плавления стали.

Нечто похожее мы видим на фазовых диаграммах солей в воде:


- примеси снижают температуру плавления, иными словами, стабилизируют структуру раствора. До некоторого предела, конечно.

А еще большинство примесей обычно повышают температуру кипения, что также указывает на возможность скрепления ими и кластеров воды.


Бывают еще более интересные картины фазовых состояний:




Из них можно видеть картины перестроения кластеров: что при некоторой температуре кластеры с определенным числом укрепляющих контактов уже не могут существовать и вынуждены перестроиться в другой вид кластеров с иным числом точек контакта и т.д.

Минимумы температуры на графиках называются точками эвтектики. Состав эвтектики (соотношение молекул) изменяется при изменении давления. Научных гипотез о причинах смены составов эвтектик я не нашла. На мой же взгляд, этот факт подтверждает гипотезу о существовании кластеров, размер которых зависит от температуры и давления. А фазовые диаграммы позволяют изучить и геометрическую форму этих кластеров, опираясь на число точек, в которые могут вставать атомы/молекулы примесей.

Начало здесь:
Влажность и статика
Свойства растворов на примере стали
Tags: Волны, Вопросы к науке, Химия
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 4 comments