コア コンセプト
このチュートリアルでは、相図の主な機能について学びます 、相変化図とも呼ばれます 、およびその他の種類の図と、それらの重要性を解釈して理解する方法。
他の記事で取り上げるトピック
- 状態
- プレッシャーとは?
- 固体、液体、気体の性質
- 分子間力
- 物理的特性と化学的特性
- 融合の熱
語彙
- 結露 – 物質が気体から液体の状態になるとき
- 蒸発 – 物質が液体から気体の状態になるとき
- フュージョン – 物質が液体から固体になるとき
- 溶ける – 物質が固体から液体の状態になるとき
- 昇華 – 物質が固体から直接気体状態になるとき
- 寄託 – 物質が気体から固体に直接変化するとき
- 相変化 – 物質がある状態から別の状態に変化するとき (例:固体から液体、または液体から気体)
フェーズ チェイス ダイアグラムとは
相転移は、物質がある状態から別の状態に変化するときに発生します。物質には、液体、固体、気体の 3 つの主要な状態があります。
相図は、複数の変数 (ほとんどの場合、温度と圧力) にわたる物質のさまざまな相を示すプロットです。この図は、これらの変数の変更が特定の物質の状態にどのように影響するかを示すのに役立ちます。
圧力-温度相図
圧力-温度状態図は、最も一般的で基本的なタイプです。
上に示したタイプの状態図は、圧力 (大気圧) と温度 (摂氏またはケルビン) をプロットしたものです。実線は相境界を表し、「共存曲線」とも呼ばれます。これは、互いに平衡状態で共存する 2 つの相があるためです。青い線は沸点、つまり液体と気体の状態の遷移を示し、緑色の線は凝固点、つまり液体と固体の状態の遷移を示し、赤い線は固体状態が直接気相に変換できる条件を示しています。
相図の説明
相変化図について学ぶときによく耳にする単語やフレーズをいくつか紹介します。
融合 (融解または凍結) 曲線 – 液体状態と固体状態の間の遷移を示す曲線
蒸発 (または凝縮) 曲線 – 気体状態と液体状態の間の遷移を示す曲線
昇華 (または堆積) 曲線 – 気体状態と固体状態の間の遷移を示す曲線
トリプルポイント – 気体、液体、固体が平衡状態で共存する温度と圧力の点
重要なポイント – 物質が液体と気体の状態を区別できなくなる温度と圧力のポイント
相境界 – 物質の 2 つの状態が平衡状態で共存する条件を示す線
水の特別なケース
一般的に議論される特別なケースは、水の状態図です。上から見た図で、緑色の点線は水の相図における固液共存曲線を表しています。
平均的な物質の場合、液体の圧力を上げると、曲線を横切って固体になることがわかります。 ただし、水の場合、固体 (氷) の圧力を上げると、曲線を横切って液体になることがあります。 この挙動は、氷の結晶構造の密度が低いことの結果であり、水素結合による大量の自由空間が含まれています。
その他のタイプのフェーズ チェイス ダイアグラム
圧力 - 温度相図は唯一のタイプではありません。体積、エントロピー、エンタルピー、化学ポテンシャルなど、物質の相挙動に影響を与える熱力学的変数は多数あります。これらの変数のいずれかを使用して、サンプルが固体、液体、または気体である 2 つの変数の値を示す相図を生成できます。
2 次元のダイアグラムでは 2 つの変数しか軸として表示できないため、3 番目の変数は、この変数が定数である場所を示す曲線で示されることがあります。それらは、それらが表す変数に応じて異なる名前を持っています。たとえば、等圧線は一定の圧力、一定の容積、等温線は一定の温度を示します。
3D 相図
3 次元相変化図は、3 つの熱力学的変数をプロットし、異なる相に対応する空間領域を示します。このタイプの図には、三重線があります 三重点の代わりに、共存面 共存曲線の代わりに。以下は、温度、圧力、比容積をプロットした一般的な 3D ダイアグラムです。
二元混合物
二元混合物は、組成に対してプロットされた相図を持ち、通常は 1 つの成分のモル分率として表されます。これは、混合物の相挙動がサンプルの特定の構成にどのように依存するかを示しています。このタイプのプロットの最も重要な特徴の 1 つは、共晶点です。 、これは融点が最も低いダイアグラム上のポイントであり、通常は真ん中のどこかに落ちます.下の図では、約 40 mol % の硝酸アンモニウムで共晶点を見つけることができます。
結晶と多形
結晶性固体は、熱力学的変数に応じて、複数の可能な構造を持つことができます。これが、アイス II、アイス III、アイス IV など、さまざまな形の氷について誰かが話しているのを耳にすることがある理由です。また、方解石やアラゴナイトなど、同じ物質の異なる結晶相 (多形) である、同じ化学式を持つ複数の鉱物が見られる場合もあります。このような場合、すべてが固体である多くの相を含む相図を見るのが一般的です。
参考資料 – 相変化図
巧妙な科学のトリック:水を瞬時に凍らせる (Susan Koch のブログ)
- 利回り率
- 共通イオン効果
- 価電子
- ニューマン プロジェクション
- 共同プロパティ
- 結合エンタルピー
- クラウジウス・クラペイロンの方程式
