Fázové diagramy dvousložkových soustav

Stavové neboli fázové diagramy jednosložkových a dvousložkových systémů
© Doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc
1. Obecný úvod
Tato stať se zabývá stavem látek, a to ve skupenství kapalném či tuhém, a přechody
mezi nimi. Studuje je pouze z hlediska rovnováhy. To ve fyzikální chemii označuje stav, který
se v čase nemění, avšak při libovolně malé změně podmínek nastává změna v příslušném
směru. Ukažme si to na příkladu směsi vody ( kapalné ) a pevného ledu při teplotě přesně
rovné bodu tání ( 0 o C ). V této směsi se může celkem snadno ustavit rovnováha a její stav je
určen poměrným zastoupením ledu a vody. To se v rovnováze a v izolovaném stavu nemění;
sebemenší přívod tepla nebo naopak jeho odebrání však nakonec způsobí změnu tohoto
poměru. ( Proto rády zamrzají odpady povrchové vody při jarním tání, kdy voda o teplotě
nepatrně nad 0 o C stéká do odpadů o málo studenějších ).
2. Jednosložkové systémy
V systému obsahující jedinou chemickou složku může existovat jen omezený počet
fází. Všechny plyny jsou dokonale mísitelné, a proto je variabilita možná nejčastěji jen u fáze
pevné. Tak je tomu v případě vody, kdy při mimořádně vysokých tlacích voda existuje i při
běžných teplotách tuhá, avšak strukturou a vnitřní stavbou dosti odlišná od obyčejného ledu.
Omezme se však na běžné teploty a tlaky. Stav vody je pak určen právě dvěma
proměnnými. Ty mohou být:
• extensivní, a tedy závislé na množství ( například objem )
• intensivní, neboli nezávislé na množství ( teplota, tlak, měrný objem, hustota a pod. )
Nejčastěji se k popisu stavu jednosložkového systému užívají proměnné teplota a tlak.

Stavový diagram vody ukazuje zjednodušený obr. 1. V něm pozorujeme 3 oblasti :
páru, kapalinu a pevnou látku. A vidíme také význačnou vlastnost vody : při zvýšení tlaku má
voda - na rozdíl od naprosté většiny jiných látek - snahu částečně roztát. To se děje například
pod břitem bruslí a obecně to působí kluzkost ledu. Kloužeme se tak vlastně v tenké
mikroskopické vrstvičce tlakem vzniklé kapalné vody, která za námi okamžitě ztuhne zpět na
led, jakmile tlak pomine.
Tlak [kPa]
100 VODA
LED
PÁRA
trojný bod
0 100
teplota [ o C]
obr. 1. P-T diagram vody.
Dodejme, že všechny 3 oblasti mají společný jediný bod, zvaný trojný bod.
3. Dvousložkové diagramy
Dvousložkové diagramy zpravidla kreslíme v souřadnicích T - x, kde na svislou osu vynášíme
teplotu a na vodorovnou poměrný zlomek jedné z obou složek, a to zpravidla v procentech.

Vynášíme tak do grafu teploty tuhnutí kapaliny a teploty tání pevné látky, což nemusí být
totéž, anebo - přesněji - složení pevné fáze a kapalné fáze příslušející zvolené teplotě.
Pro menší koncentrace jedné složky - označme ji B - ve druhé, označené jako A,
můžeme kapalnou a někdy i tuhou směs považovat za roztok látky B v rozpouštědle A.
Obecně lze rozlišit dva mezní případy, a to v závislosti na vzájemné mísitelnosti obou
složek v pevné fázi ( předpokládejme, že mísitelnost v kapalném stavu je neomezená ). Jeden
krajní případ představuje úplnou nerozpustnost , druhý neomezenou mísitelnost v pevném
stavu.
3.1. Látky v pevné fázi nemísitelné
Představme si roztok soli ( například kuchyňské soli, NaCl ) ve vodě. Mezi NaCl a
vodou nedochází k žádné chemické reakci ( na rozdíl například od roztoků kyseliny sírové,
hydroxidů alkalických a dalších, s vodou reagujících látek ). Tehdy platí, že - alespoň pro
nepříliš velké koncentrace rozpuštěné soli - se přísadou soli bod tání snižuje ( přibližně )
úměrně počtu částic rozpuštěné látky, a to u jakékoli rozpuštěné látky tohoto typu stejně. Proto
je výhodné pro tyto účely používat chemické jednotky množství jako jsou moly na 1 dm 3 (
dříve nazýváno molarita ), molový zlomek a pod. ( 1 mol je takové množství látky, které
obsahuje stejný počet částic jako 1 gram vodíku a jeho číselná hodnota je rovna poměrné
molekulové hmotnosti. Například, 1 mol NaCl = 1 . 23 + 1 . 35,5 = 78,5 g ). Pak platí, že
snížení bodu tuhnutí roztoku, ∆T , jest
∆T = RT 2 / ∆H tání . n B / n A
kde R je plynová konstanta, ∆H tání je teplo tání rozpouštědla a n A , n B jsou počty molů ( nebo
počty částic ) rozpouštědla a rozpuštěné látky. Z toho právě plyne, že stejný počet částic v
roztoku způsobí stejné snížení bodu tání či tuhnutí. Nesmíme zapomenout, že 1 formule NaCl
vytváří dvě částice - ionty Na+ a Cl - - a proto je snížení bodu tuhnutí ledu působením soli tak

účinné. ( Vysoký počet částic z hmotnostní jednotky a nízká cena předurčují NaCl pro zimní
údržbu zledovatělých silnic ).
Je jasné, že snížení bodu tuhnutí v systému led - voda má své meze ( z praxe víme, že
pod -20 0 C sůl na silnicích přestává působit ). Podobný proces - snížení bodu tání soli ( NaCl )
působením vody - lze totiž pozorovat i na opačném konci koncentračního pole, kdy
koncentrace soli dosahuje téměř 100 % a kdy bod tuhnutí taveniny čisté NaCl je 802 0 C.
T-x diagram systému voda - NaCl je v obr. 2. Z pochopitelných důvodů je kreslen jen
pro běžné teploty, a proto končí v oblasti 30 % soli.
Obr. 2. Stavový diagram soustavy voda - NaCl
0 o C
KAPALINA (roztok)
teplota
LED
NaCl (sůl)
-20 o C
eutektikum
V diagramu jsou dvě oblasti : roztoky zředěnější a koncentrovanější než přibližně 25 %.
Vyjděme ze zředěného roztoku. Ochlazováním začne tuhnout při teplotách záporných.
Přitom se z roztoku vylučuje voda a roztok se obohacuje na vyšší koncentraci soli. Bod
tuhnutí proto postupně klesá. Při ochlazování koncentrovanějšího roztoku se naopak vylučuje
sůl. Z obou stran se nakonec dostaneme do nejnižšího místa na grafu, kde se obě křivky
protínají. Tento bod se nazývá eutektický bod. Směs o tomto složení tuhne při jediné teplotě a
makroskopické průměrné složení tuhé látky je stejné jako složení zbývající kapaliny. Textura
ztuhlé eutektické taveniny je však charakteristická; vždy obsahuje mikrosopické krystalky
obou složek velmi jemně rozptýlených jedna do druhé. Na mikroskopických snímcích je toto
možno velmi dobře pozorovat.

Podobný je systém voda - ethylalkohol; v něm koncentraci 10,5 % ( obsah alkoholu ve
vínu ) odpovídá bodu tuhnutí -3,8 0 C a ochlazením na -8 0 C se obsah alkoholu v kapalném
zbytku zvýší asi na 20%.
Upozornění : eutektická směs neodpovídá žádnému pevnému složení čili žádné chemické
sloučenině.
3.2 Látky v pevné fázi neomezeně mísitelné
S tímto případem se setkáváme dosti vzácně. Je to v těch systémech, kdy obě složky
jsou si chemicky podobné. Klasické příklady jsou směsi vzácných plynů, lehká a těžká voda a
některé slitiny kovů, chemicky si velmi podobných.
V oblasti zředěných roztoků či tavenin dochází při jejich tuhnutí ke změně poměru
složek. Pokud systém nejeví žádné chemické interakce, platí jednoduché pravidlo: vznikající
pevná látka je vždy obohacena o složku s vyšším bodem tuhnutí a složka snáze tavitelná se
hromadí ve zbývající tavenině.
Pochod je popsán dvěma křivkami, označovanými názvy solidus a liquidus.Solidus
ukazuje složení pevné fáze a liquidus složení fáze kapalné při téže teplotě.
Při chladnutí taveniny se nejprve dostaneme na liquidus a začne se vylučovat tuhá
látka o složení ležícím na křivce „solidus“ na stejné teplotě. Tím se tavenina o výše tající
složku ochudí a při dalším chladnutí se vzájemný poměr i složení postupně mění až do
úplného ztuhnutí taveniny.
POZOR : solidus i liquidus jsou křivky s monotoním průběhem. Jejich kreslení
s jakýmsi překmitem ( viz obr. ) je začátečnická chyba.

Dobře
Špatně
souhlasný směr tečen
různý směr tečen
Přiloženy jsou některé praktické příklady a dále obr. *** a ***, v němž jsou naznačeny
tzv. křivky chladnutí směsí o různém složení. Jsou to časové průběhy poklesu teploty při
rovnoměrném chlazení různých směsí, vkreslené do příslušného T-x diagramu. Z nich
můžeme právě popsané jevy dobře vypozorovat.