Opções de fase composição binária

Chegamos agora ao objetivo principal deste artigo - a aplicação dos métodos anteriores ao estudo de diagramas de fases. Uma liga binária pode ter quatro tipos diferentes de constituição: (a) Uma mistura de duas fases não miscibles (felizmente isso é raro). (B) Uma única fase em que átomos de ambos os tipos ocupam posições na mesma rede - uma solução sólida. (C) Uma fase com estrutura diferente da de qualquer dos constituintes - um composto intermetálico. (D) Uma mistura íntima de duas fases - uma liga de duas fases. Não pode haver mais de duas fases em equilíbrio em geral. Soluções sólidas são muito comuns. Se eles incluem um dos elementos, eles são considerados primários, caso contrário, eles são secundários. Se os dois elementos tiverem a mesma estrutura, como cobre e níquel, a solução sólida pode se estender de um para o outro. Mas a maioria dos sistemas tem uma sucessão de soluções sólidas e compostos intermetálicos, como exemplificado na Fig. 6. As faixas dos vários campos de fase quase sempre variam com a temperatura. Figura 6: diagrama de fase binária que mostra duas soluções sólidas primárias e uma solução sólida secundária,. A Figura 6 é chamada de diagrama de fase. Os dois elementos são designados A e B. E perto de A, podemos ver que uma solução sólida de B em A é formada à temperatura T. Isso se estende de C para D. Em D está saturado com B. E mais de metal B faz com que uma segunda fase para formar a região de duas fases se estenda de D para E. Entre E e F apenas está presente, e de F a G há outra região de duas fases. Finalmente, há outra solução sólida, de A átomos em B. A região pode ser tão estreita que nenhuma variação de composição é observável é quase um composto químico. Os vários campos de fase - monofásicos e de duas fases - geralmente variam com a temperatura e às vezes outra estrutura aparece em temperaturas mais altas. O L líquido é uma fase, mas não devemos lidar com esse fenômeno, pois os métodos de raios-X são pouco úteis para lidar com líquidos. O objetivo da pesquisa metalográfica é medir a extensão das várias regiões monofásicas e de duas fases em diferentes temperaturas. O primeiro passo no exame de ligas de dois metais é estabelecer as estruturas destes metais, geralmente é fácil, pois os metais têm frequentemente uma das estruturas cujos padrões são mostrados na Fig. 4. Então examinamos o quão longe as regiões da solução sólida se estendem. Isso podemos fazer, tirando fotografias de ligas de diferentes composições próximas aos elementos e vendo quando aparecem linhas extras de uma nova fase. Isso, no entanto, é apenas difícil. Para encontrar com precisão um ponto como D. Traçamos um gráfico do parâmetro de rede a contra a composição (assumindo que a estrutura é cúbica), depois mede o parâmetro de rede da mesma fase em qualquer liga de duas fases em uma região de duas fases, as composições das duas fases são fixas e somente As proporções mudam. O ponto limite D é dado pelo ponto do gráfico onde está o parâmetro de rede de duas fases (Fig. 7). Figura 7: Encontrando a solubilidade de B em A. Para encontrar os equivalentes do ponto D em diferentes temperaturas, devemos aquecer a liga em massa até atingir o equilíbrio. (O tempo necessário teria que ser encontrado por tentativa e erro - isto é, encontrando momentos que dão resultados consistentes.) O pó é retirado da liga, e isso deve ser recozido novamente à mesma temperatura para remover os efeitos de Trabalho frio (Seção 1). O pó deve estar em um pequeno recipiente que pode de repente ser mergulhado em água fria (extinto), com a esperança de que a estrutura de alta temperatura seja preservada. Nenhuma norma precisa pode ser dada, tanto depende das propriedades do sistema de liga considerado. Um método mais direto é tirar fotografias às temperaturas exigidas, mas isso requer câmeras especializadas de alta temperatura que podem não estar disponíveis. O procedimento de extinção deve ser sempre testado primeiro. Existem muitos problemas neste tipo de trabalho, e nenhuma conta pode lidar adequadamente com todos eles. Encontrar as condições certas geralmente é uma pesquisa por si só e os métodos de raios-X geralmente podem ajudar a diminuir o tempo de investigação. Por exemplo, a falta de equilíbrio normalmente leva a linhas ampliadas. Para as ligas que não sejam cúbicas, o trabalho é mais complicado, mas os princípios são os mesmos. Para uma estrutura hexagonal, dois parâmetros de rede podem ser usados ​​e um pode atuar como um controle sobre o outro. (Espera-se que eles dêem a mesma resposta) Copyright copy 1984, 1998 União Internacional de Cristalografia Determinação experimental dos diagramas de fases de 2 componentes Como exemplo, iriam analisar como se poderia determinar a estabilidade de uma mistura de 2 minerais Fases, A e B. Para realizar essas experiências, começamos com minerais puros A e B e, em seguida, criamos misturas em proporções variadas. Cada uma dessas misturas, além de puro A e B puro representam diferentes composições. Neste caso, só vamos ver como a estabilidade varia de temperatura e composição, mantendo pressão constante em 1 atmosfera. Este tipo de experiência pode ser feito em um forno com temperatura controlada. A pressão não precisa ser controlada porque as relações de fase serão determinadas à pressão atmosférica. As várias composições são colocadas em uma cápsula que não reagirá com nenhuma das fases produzidas. Normalmente, isso seria Platinum. Cada mistura é então colocada no forno, a temperatura é aumentada para algum ponto e mantida a essa temperatura o suficiente para que o equilíbrio entre todas as fases ocorra. As cápsulas são então removidas rapidamente do forno e apagadas rapidamente. A rápida diminuição da temperatura que ocorre durante a extinção ajuda a assegurar que não ocorrem outras reações e a montagem de fase que estava presente na temperatura mais alta foi preservada à temperatura ambiente. Durante a extinção, qualquer líquido que tenha estado presente a alta temperatura é considerado vidro. Após a extinção, cada cápsula é aberta e as fases presentes são determinadas usando um microscópio. No exemplo mostrado, usamos símbolos diferentes para representar as montagens de fase mineral presentes para cada execução de composição. Neste conjunto de experimentos, são encontradas 6 montagens diferentes e são plotadas em um diagrama com Temperatura do experimento plotado no eixo vertical, e composição em termos de A ou B traçada no eixo horizontal. Note-se que as parcelas A puras em 100 A que correspondem a 0 B e parcelas B puras a 100B, o que corresponde a 0 A. Observe também que não foram realizadas experimentos a temperaturas superiores às que o primeiro líquido completo apareceu para cada composição. Uma vez que os pontos são plotados, podemos então desenhar curvas ou linhas de melhor ajuste entre os pontos de dados para determinar os campos de temperatura - Composição de estabilidade para as várias montagens de fase. Essas linhas de curvatura são mostradas aqui, e os campos de estabilidade para cada montagem de fase são rotulados. O diagrama de fase resultante é chamado de diagrama eutêtico binário. Nem todos os diagramas de fusão binários se parecem com isso, mas este é o mais simples e o tipo que discutiremos primeiro. DOIS SISTEMAS EUTÉTICOS COMPONENTES A Figura 1 mostra os diagramas de fases de dois componentes mais simples. Os componentes são A e B, e as fases possíveis são cristais puros de A, cristais puros de B e líquidos com composições que variam entre puro A e puro B. As composições são traçadas na parte inferior do diagrama. Observe que a composição pode ser expressa como uma porcentagem de A ou uma porcentagem de B, uma vez que a porcentagem total deve somar até 100. (As composições também podem ser expressas como fração mole de A ou B, caso em que o total deve somar Para 1). A temperatura ou pressão é plotada no eixo vertical. Para o caso mostrado, consideramos que a pressão é constante e, portanto, tem uma temperatura plotada no eixo vertical. As curvas que separam os campos de A Liquid of Liquid e B Liquid from Liquid são denominadas curvas de liquido. A linha horizontal que separa os campos de A Liquid e B Liquid de A B todo sólido, é denominada solidus. O ponto, E, onde as curvas de liquido e solidus se cruzam, é denominado ponto eutéctico. No ponto eutéctico neste sistema de dois componentes, as três fases, que são Líquidas, cristais de A e cristais de B, existem em equilíbrio. Observe que o eutectic é o único ponto no diagrama onde isso é verdade. Uma vez que observamos um sistema a pressão constante, a regra de fase neste caso é F C 1 - P. O ponto eutéctico é, portanto, um ponto invariante. Se mudarmos a composição do líquido ou a temperatura, o número de fases será reduzido para 2. Se o sistema contiver apenas A puro, o sistema é um sistema de um componente e a fase A derrete apenas a uma temperatura, a temperatura de fusão De puro A, T m A. Se o sistema contém apenas B puro, então é um sistema de um componente e B só funde à temperatura de fusão de B puro, T m B. Para todas as composições entre A puro e B puro, a temperatura de fusão é drasticamente reduzida e a fusão começa a temperatura eutectica T E. Note-se que, para todas as composições entre A e B, a fusão também ocorre ao longo de uma gama de temperaturas entre o solidus e o liquidus. Isso é verdade para todas as composições, exceto uma, a do eutectic. A composição eutéctica funde apenas a uma temperatura, T E. Vamos agora considerar a cristalização de um líquido com a composição X na Figura 1. Primeiro, no entanto, devemos indicar a seguinte regra, que deve ser sempre obedecida: Regra 1 - Em cristalização em equilíbrio ou fusão em um sistema fechado, a composição final de O sistema será idêntico à composição inicial do sistema. Portanto, de acordo com a regra 1, a composição X, que é constituída por uma mistura de 80 A e 20 B, terá como produto final cristalino uma mistura de 80 cristais de A e 20 cristais de B. Composição X será tudo Líquido acima da temperatura T 1. porque ficará no campo de todo o líquido. Se a temperatura for reduzida para T 1. Em T 1 os cristais de A começam a se formar. O abaixamento adicional da temperatura faz com que mais cristais de A se formem. Como resultado, a composição líquida deve se tornar mais enriquecida em B à medida que mais cristais de forma A se libertam do líquido. Assim, com a redução da temperatura, a composição líquida mudará do ponto 1 ao ponto 2 para o ponto 3 para o ponto E à medida que a temperatura é reduzida de T 1 a T 2 para T 3 para T E, respectivamente. Em todas as temperaturas entre T 1 e T E. Duas fases estarão presentes no sistema líquido e cristais de A. À temperatura eutéctica, T E. Cristais de B começarão a formar-se, e três fases coexistirão cristais de A, cristais de B e líquidos. A temperatura deve permanecer em T E até que uma das fases desapareça. Assim, quando o líquido cristaliza completamente, apenas o sólido puro A e o sólido puro B permanecerão e a mistura destas duas fases sólidas estará nas proporções da mistura original, isto é, 80 A e 20 B. A história de cristalização da composição X pode ser Escrito em forma abreviada da seguinte maneira: Tgt T 1 - todo líquido em TE - líquido ABT lt TE - AB todo sólido Se parássemos o processo de cristalização em qualquer ponto durante a cristalização e observemos quanto de cada fase está presente Podemos usar o seguinte exemplo para determinar o que veríamos. Por exemplo, a uma temperatura T 2, a quantidade de cristais de A e de líquido (as únicas duas fases presentes a esta temperatura) pode ser determinada medindo as distâncias a e b na figura 1. As percentagens seriam então atribuídas pela regra de alavanca : Cristais de A b (ab) x 100 líquido a (ab) x 100 Observe que, uma vez que a quantidade de cristais deve aumentar com a queda de temperatura, a distância proporcional entre a linha vertical que marca a composição inicial e o líquido aumenta à medida que a temperatura cai. Assim, a distância utilizada para calcular a quantidade de sólido é sempre medida em direção ao lado líquido da composição inicial. À temperatura T 3. Note que mais cristais devem ter se formado uma vez que a distância proporcional d (cd) é maior do que a distância proporcional b (ab). Assim, em T 3, a regra de alavanca dá: cristais de A d (d c) x 100 líquido c (c d) x 100 A T 3. Note que a composição do líquido é dada no ponto 3, ou seja, 53 A, a composição do sólido é A pura, e a composição do sistema ainda é 80 A e 20 B. Certifique-se de entender a diferença entre a composição do Fases e a quantidade ou porcentagem das fases. O processo de fusão é exatamente o inverso do processo de cristalização. Isto é, se começássemos com a composição X a alguma temperatura abaixo de T E, o primeiro líquido se formaria em T E. A temperatura permaneceria constante em T E até que todos os cristais de B fossem derretidos. A composição líquida então mudaria ao longo da curva liquidus de E para o ponto 1 à medida que a temperatura aumentasse até atingir a temperatura T 1. Acima de T 1, o sistema conteria apenas líquido com uma composição de 80 A e 20 B. O processo de fusão em forma abreviada está listado abaixo: T lt TE - todo sólido AB em TE - Líquido ABT gt T 1 - todo LiquidBinary Diagramas de fase Os diagramas de fases são representações gráficas das fases líquida, vapor e sólida que coexistem em vários intervalos de temperatura e pressão dentro de um reservatório. Os diagramas de fases binárias descrevem a coexistência de duas fases em uma gama de pressões para uma determinada temperatura. Diagramas de fases binárias Fig. 1 é um diagrama de fase de composição de pressão (p-x-y) que mostra o comportamento típico de fase de vapor de líquido para um sistema binário a uma temperatura fixa abaixo da temperatura crítica de ambos os componentes. Em pressões abaixo da pressão de vapor do Componente 2, p v 2. Qualquer mistura dos dois componentes forma uma única fase de vapor. Em pressões entre p v 1 e p v 2. Duas fases podem coexistir para algumas composições. Por exemplo, na pressão p b. Ocorrerão duas fases se a fração molar do Componente 1 for entre x B e xE. Se a composição da mistura for x B. Será todo líquido se a composição da mistura for x E. Será todo o vapor. A temperatura e pressão constantes, a linha que liga uma fase líquida e uma fase de vapor em equilíbrio é conhecida como uma linha de amarração. Em diagramas de fases binárias, como a Fig. 1. As linhas de amarração são sempre horizontais porque as duas fases estão em equilíbrio a uma pressão fixa. Para 1 mole de mistura de composição global, z. Entre x B e x E. O número de moles de fase líquida é a Eq. 1 é uma regra de alavanca inversa porque é equivalente a uma declaração relativa às distâncias ao longo de uma linha de amarração da composição geral às composições de líquido e vapor. Assim, a quantidade de líquido é proporcional à distância da composição global à composição de vapor, dividida pelo comprimento da linha de amarração. FIG. 1 Diagrama de composição de pressão para uma mistura binária a uma temperatura abaixo da temperatura crítica de ambos os componentes. Diagramas de fases como a Fig. 1 pode ser determinado experimentalmente colocando uma mistura de composição global fixa em uma célula de alta pressão e medindo as pressões em que as fases aparecem e desaparecem. Por exemplo, uma mistura de composição x B mostraria o comportamento indicado qualitativamente na Fig. 2. A uma pressão inferior a p d (Fig. 1), a mistura é um vapor. Se a mistura é comprimida por injetar mercúrio na célula, o primeiro líquido, que possui composição x A. Aparece na pressão do ponto de orvalho, p d. À medida que a pressão aumenta, o volume de líquido cresce à medida que mais e mais da fase de vapor se condensa. O último vapor de composição x E desaparece à pressão do ponto de bolha, p b. FIG. 2 Comportamento volumétrico de uma mistura binária a temperatura constante que mostra uma pressão de ponto de bolha. Se a temperatura do sistema estiver acima da temperatura crítica de um dos componentes, o diagrama de fase é semelhante ao mostrado na Fig. 3. Na temperatura mais alta, a região de duas fases não se estende para o lado puro do Componente 1 do diagrama. Em vez disso, há um ponto crítico, C. Em que as fases líquida e de vapor são idênticas. O ponto crítico ocorre na pressão máxima da região de duas fases. O comportamento volumétrico das misturas contendo menos Componente 1 do que a mistura crítica, xc. É como mostrado na Fig. 2. FIG. 4 mostra o comportamento volumétrico das misturas contendo mais Componente 1. A compressão da mistura de composição x 2 (na Fig. 3) leva ao aparecimento da fase líquida da composição x 1 quando a pressão p d 1 é atingida. O volume de líquido primeiro cresce e depois diminui com o aumento da pressão. A fase líquida desaparece novamente quando a pressão p d 2 é alcançada. Esse comportamento é chamado de vaporização retrógrada ou condensação retrógrada se a pressão estiver diminuindo. FIG. 3 Diagrama de fase de composição de pressão para uma mistura binária a uma temperatura acima da temperatura crítica do Componente 1. A Fig. 4 Comportamento volumétrico de uma mistura binária a temperatura constante mostrando condensação retrógrada. Se a temperatura do sistema for exatamente igual à temperatura crítica do Componente 1, o ponto crítico no diagrama de fase da composição da pressão binária é posicionado em uma fração Mole do Componente 1 de 1,0. FIG. 5 mostra o comportamento das regiões de duas fases à medida que a temperatura aumenta. À medida que a temperatura aumenta, o ponto crítico move-se para concentrações mais baixas do Componente 1. À medida que a temperatura crítica do Componente 2 é abordada, a região de duas fases encolhe, desaparecendo completamente quando a temperatura crítica é atingida. FIG. 5 Regiões de temperatura, pressão e composição para as quais duas fases ocorrem em um sistema binário de vapor de líquido. FIG. 6 mostra um local típico de temperaturas críticas e pressões para um par de hidrocarbonetos. O locus crítico mostrado na Fig. 6 é a projeção da curva crítica na Fig. 5 no plano p - T. Assim, cada ponto no locus crítico representa uma mistura crítica de composição diferente, embora a informação da composição não seja mostrada neste diagrama. Para temperaturas entre a temperatura crítica do Componente 1 e o Componente 2, a pressão crítica das misturas pode ser muito maior do que a pressão crítica de qualquer dos componentes. Assim, duas fases podem coexistir a pressões muito maiores do que a pressão crítica de qualquer dos componentes. Se a diferença de peso molecular dos dois componentes for grande, o locus crítico pode atingir pressões muito altas. FIG. 7 fornece loci críticos para alguns pares de hidrocarbonetos. 1 Fig. 6 Diagrama pressão-temperatura: uma projeção das curvas de pressão de vapor p v 1 e p v 2) e locus de pontos críticos para misturas binárias. Os pontos C 1 e C 2 são os pontos críticos dos componentes puros. FIG. 7 Curvas de pressão de vapor para hidrocarbonetos leves e loci críticos para pares de hidrocarbonetos selecionados. Os diagramas de fases binários aqui analisados ​​são os mais comumente encontrados. No entanto, diagramas de fases mais complexos que envolvem equilíbrios liquidos líquidos e líquidos de vapor ocorrem em sistemas de hidrocarbonetos a temperaturas muito baixas (bem fora da faixa de condições encontradas em reservatórios ou separadores de superfície) e em sistemas de petróleo bruto de CO 2 a temperaturas inferiores a aproximadamente 50 ° C. Veja Stalkup 2 e Orr e Jensen 3 para comentários sobre esse comportamento de fase. Referências GPSA. 1972. Catálogo de Dados de Engenharia GPSA, 9ª edição. Tulsa, Oklahoma: Associação de Fornecedores de Processadores de Gás. Stalkup Jr. F. I. 1983. Discipulado miscível, vol. 8. Richardson, Texas: série de monografias Henry L. Doherty, SPE. Orr, F. M. Jr. e Jensen, C. M. 1984. Interpretação de Diagramas de Fase de Composição de Pressão para Sistemas de Petróleo de CO2. SPE J. 24 (5): 485497. SPE-11125-PA. Dx. doi. org10.211811125-PA. Artigos dignos de nota em OnePetro Use esta seção para listar artigos em OnePetro que um leitor que quer aprender mais definitivamente deve ler links externos Use esta seção para fornecer links para material relevante em sites diferentes do PetroWiki e OnePetroTo determinar composições de fases e as proporções relativas de Fases entre si em diagramas binários, a LEVER RULE é usada. Composições pela Regra de Alavanca Mais uma vez, de volta ao nosso sistema binário hipotético, o Ponto I está acima do liquido dentro do campo líquido. Qual é a composição, em termos dos dois componentes do membro final, A e B, do líquido representado por este ponto. Para determinar a composição de I, você deve completar as seguintes etapas: Desenhe uma linha através de I perpendicular à junção AB, ou seja A base do diagrama. Esta linha representa uma linha de composição constante e é referida como uma isopleth. O líquido em I consiste em uma mistura de A e B, cujas proporções podem ser determinadas simplesmente medindo o comprimento de três linhas, AI, BI e AB e, em seguida, proporcione esses comprimentos. A IBAB 100 B IAAB 100 Isto nos dá a composição em massa do líquido neste ponto. Se o ponto de composição para os movimentos, obtemos uma nova composição em massa para esse ponto representado pelo novo líquido. Ponto Z No ponto representado por Z, há várias questões a serem consideradas: qual a composição em massa do ponto Z ponto Z A mesma composição em massa como o ponto I, usado acima, pois está na mesma isoplastia, mas a uma temperatura mais baixa. Quais são as fases presentes. O ponto Z está no campo em que duas fases, B L, estão em equilíbrio, pelo que as duas fases presentes devem ser soild B e Liquid. Quais são as proporções das fases presentes Para determinar as proporções de BL em Z, execute as seguintes etapas: Desenhe uma linha através de Z, paralela à base do diagrama (Esta linha está a uma temperatura constante e é uma isoterma). Esta linha deve se estender apenas aos limites do campo BL - Pontos X e Y. Meça os três segmentos de linha - ZX, Zy e XY e proporcione esses comprimentos usando a regra da alavanca. B ZXXY 100 38 B L ZYXY 100 62 L Qual a composição das fases presentes No ponto Z se examinássemos o sistema, veríamos cristais de B em uma matriz vítrea (o Líquido) em equilíbrio. Os pontos X e Y nos ajudam a determinar as composições das duas fases. Como este é o sistema binário mais simples possível, que não apresenta solução sólida, todas as fases sólidas são de composição fixa. O ponto Y fica no lado direito do sistema binário onde temos 100 B e 0 A, pelo que o sólido representado por Y deve ter uma composição de Pure B. A composição do líquido em equilíbrio com o Pure B é representada por X , Na superfície liquidus. Para determinar a composição do Líquido em X, desenhe uma ação para a base do diagrama. Agora, mede três segmentos de linha AX, BX e AB, relacionem estes usando a Regra de Alavanca para obter a composição do líquido X, em termos de A e B, os dois componentes que definem o sistema. A BXAB 100 40 A B AXAB100 60 B As composições líquidas são sempre expressas em termos dos dois componentes do membro final que definem o sistema. Da mesma forma, a composição de qualquer fase sólida (100 B, 0 A) e a composição em massa (40 A, 60 B) de qualquer líquido também são expressas em termos dos componentes do membro final.