مخطط أطوار

مخطط أطوار المادة، تظهر فيه النقطة الحرجة (critical point).

النقطة الحرجة حسب المفهوم العلمي في الكيمياء الفيزيائية والتحريك الحراري وفيزياء المواد المكثفة هي النقطة من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يوجد فيها فواصل واضحة بين حالات المادة، (مثل فواصل بين الحالة السائلة، والحالة الصلبة، أو الحالة الغازية).

يوجد الماء في ثلاثة أطوار : السائل، والغازي في هيئة بخار، والصلب في هيئة الثلج. ومن المعهود لنا تواجد الماء في طورين في نفس الوقت :ماء وبخار، أو ماء وثلج. فمثلا عندما نسخن الماء فيتواجد الماء السائل والبخار. كذلك وجود الطورين ثلج وماء معهود لدينا عند انصهار الثلج.

في الشكل يمثل المحور الأفقي تغير درجة الحرارة والمحور الرأسي تغير الضغط . نجد طبقا لهذا الشكل نقطة تسمى نقطة ثلاثية تتواجد فيها الثلاثة أطوار في نفس الوقت. أما ماعدا ذلك فيوجد طوران في نفس الوقت إما ثلج وماء أو ثلج وبخار أو بخار وماء. وتبين المنحنيات تغير درجة الحرارة وما يتبعها من تغير في الضغط بين كل طورين متلامسين (كل منحنى من تلك الثلاثة منحنيات تشكل توازن بين طورين). عند النقطة الثلاثية تتواجد الثلاثة أطوار في نفس الوقت في حالة توازن.

ما هي حالة التوازن ؟

لدينا في مخطط الطور ثلاثة حالات للتوازن تنتمي إلى الثلاثة فروع من المنحنيات (مخطط طور الماء):

1) المنحنى الأزرق : توازن بين الماء وبخاره، بمعنى ان معدل تبخر الماء يكون مساويا لمعدل تكثف البخار.

2) المنحنى الأحمر : توازن بين الثلج والبخار، بمعنى أن معدل تحول الثلج إلى بخار يكون مساوية لمعدل تحول البخار إلى ثلح.

3) المنحنى الأخضر المنقط : توازن بين الماء والثلج، بمعنى أن معدل تحول الماء إلى ثلج (تجمد) يساوي معدل تحول الثلج إلى ماء (انصهار). مسيرة المنحنى الأخضر المنقط تختص بالماء فقط (حالة شاذة تختص بالماء). أما بقية المواد فهي تتبع الخط الأخضر.

شذوذ الماء :

رأينا أن المنحنى الأخضر المنقط للماء يختلف قليلا عن مسيرة المنحنى الأخضر الخاص بجميع المواد الأخرى (المعروفة) ذلك لأن الماء يتمدد عند تحوله إلى ثلج، بعكس جميع المواد الأخرى فهي تنكمش عند تجمدها.

في هذا الشكل إلى اليسار سائل نقي 2 [ مثل الماء] له درجة غليان مبينة على المحور الرأسي إلى اليسار وإلى اليمين سائل نقي 1 [مثل كحول) وله درجة غليان نقرؤها على المحور الرأسي إلى اليمين. ويبين المحور الأفقي النسبة الموليه وهي تقول أنه عند المحور اليساري تكون نسبة الكحول في الماء 0، فقد افترضنا هنا وجود الماء النقي ودرجة غليانه مبين على المحور الرأسي. فإذا تابعنا زيادة نسبة الكحول في الماء بالانزياح إلى يمين المحور الأفقي، نجد أن نسبة الكحول تتزايد حتى تصبح 1 (أو 100%) عند المحور الرأسي حيث يوجد كحول نقي و 0 ماء. ونستطيع قراءة نقطة غليان الكحول النقي على محوره.

لدينا عند المحور اليميني كحول 100 % و 0% ماء، وبالانزياح نحو اليسار يمكننا معرفة نسبة كل مخلوط، مثل 70% كحول/ 30% ماء أو 50% كحول : 50 % ماء (أو 5و0 كحول/5و0 ماء).

نجد ان كل مخلوط بنسبة معينة له درجة غليان تقع على المنحنى السفلي، وتلك الدرجة تكون بين درجة غليان الماء ودرجة غليان الكحول. تحت هذا المنحنى نجد الحالة السائلة للمخلوط (أزرق). ونجد منحنى ثان أعلى من الأول ويشغله من أعلى مخلوط من يخار الماء وبخار الكحول (أحمر). أما في المساحة المحصورة بين المنحنيين فهي تمثل مخلوط غاز مشبع وسائل (ماء وكحول وبخاريهما في حالة تشبع).

يستخم هذا المنحنى في تتبع عملية التبخير وفصل الكحول عن الماء (انظر تقطير). وتستخم منحنيات مشابهة لفصل معدنين مثلا وتنقيتهما.

عند خلط مزيح من مادتين وصهرهما سويا ثم تبريدهما يمكننا إنتاج سبائك مختلفة بحسب نسبة وجود العنصر الأول في العنصر الثاني . وتتمثل تلك العملية في منحنى النظام الأصهري أو ما يسمى Eutectic نظام يوتكتي. وهو حالة من حالات التوازن الطوري لنظام مكون من عنصرين (على الأقل) في سبيكة متجانسة.

رسم بياني لأطوار خليط ثنائي من العنصرين A و B . ويستخدم الرسم لتصيور التركيب سهل الانصهار واعتماده على درجة الحرارة واختلاف نسب المادتين . ونقطة L هي نقطة يوتكتي ؛ وتدل على أقل درجة حرارة ينصهر عندها المخلوط .

يبين منحنى أطوار الحديد والكربون تكوّن العديد من سبائك الحديد تختلف فيما بينها باختلاف نسبة الكربون في الحديد و درجة الحرارة و طريقة المعاملة الحرارية حتى الوصول إلى درجة حرارة الغرفة أو التقسية. مخطط الحديد والكربون من المخططات الهامة في تقنية الحديد الصلب والفولاذ حيث يتم تصنيع أنواع من الفولاذ تكون فيها نسبة الكربون أقل من 7% (أنظر الفولاذ).

ويتسم مخطط الحديد والكربون بنقطتين يوتيكيتين.

النقطة اليوتيكية الأولى في نظام أصهري للحديد والكربون هي أخفض درجة حرارة ينصهر عندها المزيج . فالنقطة تفصل بين الحالة السائلة (أعلى المنحنى) والحالة الصلبة (اسفل المنحنى). طبقا للرسم البياني لاطوار الحديد والكربون نجد نقطة يوتيكي الأولى عند درجة حرارة 1140 درجة مئوية ونسبة كربون مقدارها 2و4 % في الحديد.

منحنى أطوار الحديد والكربون, ويتبين منه سبيكة الأوستنيت (γ) المستقرة للفولاذ الكربوني.

تآصل الحديد (صوره البلورية);
الحديد ألفا المكعب مركزي الجسم و
الحديد جاما نظام بلوري مكعب مركزي الوجه.