مسابقه 274
در این مسابقه توضیحات مختصری از مفهوم نمودار فازی و نمودار فازی 2بعدی می‌دهیم و سپس یکی از سوالات المپیاد شیمی 2013 آمریکا را برایتان مطرح می‌کنیم که امیدواریم شما دوستان عزیز بتوانید پاسخ صحیح را بیابید.
نمودار فازی در شاخه‌های شیمی فیزیک، مهندسی، کانی شناسی و علم مواد یک نوع نمودار است که برای نشان دادن موقعیت‌هایی که در آن‌ها فازهای ترمودینامیکی می‌توانند در تعادل باشند، استفاده می‌شود. در ریاضیات و فیزیک، نمودار فازی معنای متفاوتی دارد که معادل است با فضای فاز.
دید کلی
اجزای تشکیل دهنده معمول در یک نمودار فازی، خطوط تعادل یا مرزهای فازی هستند، که به خطوطی گفته می‌شوند که شرایطی را که تحت آن‌ها چندین فاز می‌توانند همزمان در حالت تعادل وجود داشته باشند را مشخص می‌کنند. تبادلات فازی از طریق عبور از خطوط تعادلی مشخص می‌شوند.
نقاط سه گانه نقاطی بر روی نمودار فازی هستند که در این نقاط خطوط تعادل همدیگر را قطع می‌کنند. نقاط سه گانه شرایطی را معین می‌کنند که در این شرایط هر 3 فاز می‌توانند همزمان با هم وجود داشته باشند. برای مثال، نمودار فازی آب یک نقطه سه گانه دارد که در دما و فشار این نقطه، جامد، مایع و گاز در یک تعادل پایدار وجود دارند.
سولیدوس (solidus) دمایی است که در زیر آن جسم در حالت جامد پایدار است. لیکویدوس (liquidus) دمایی است که بالاتر از این دما ماده در حالت مایع پایدار است. ممکن است بین سولیدوس و لیکویدوس یک فاصله باشد که در این فاصله، ماده شامل مخلوطی از بلورها و مایع است.
نمودار فازی دو بعدی
انواع مختلفی از نمودارهای فازی وجود دارد که ما در اینجا فقط نمودار فازی دو بعدی را برایتان تعریف می‌کنیم و برای آشنایی بیشتر با نمودارهای دیگر می‌توانید به 5 قسمت زنگ تفریح مربوط به آزئوتروپ (1، 2، 3، 4 و 5) مراجعه کنید.
ساده‌ترین نوع نمودارهای فازی نمودارهای فشار-دما برای یک ماده ساده مانند آب است. محورهای این نمودار فشار و دما هستند. این نمودار فازی، در یک فضای فشار-دما، خطوط تعادل یا مرزهای فازی میان 3 فاز جامد، مایع و گاز را نشان می‌دهد.
منحنی‌های بر روی نمودار فازی نقاطی را نشان می‌دهد که انرژی آزاد (یا خواص مشتق شده دیگر) غیر تحلیلی می‌شود: یعنی مشتق این خطوط بر حسب محورها (در اینجا فشار و دما) روی منحنی دائما تغییر می‌کند. برای مثال، ظرفیت گرمایی یک محفظه پر از یخ سریعا با گرم کردن محفظه تا نقطه ذوب تغییر می‌کند. در فضاهای خالی در نمودار فازی، جاهایی هستند که انرژی آزاد تحلیلی است، که بسته به ماهیت فاز به ما پاسخ می‌دهد. نواحی تک فازی توسط خطوط غیر تحلیلی، جایی که تبادل فازی رخ می‌دهد از هم جدا می‌شوند که این خطوط به همین دلیل مرزهای فازی نیز نامیده می‌شوند.
 |
بر روی نمودارهای فازی مرز فازی بین گاز و مایع به بینهایت میل نمی‌کند بلکه در یک نقطه که نقطه بحرانی نامیده می‌شود متوقف می‌شود. در دماها و فشارهای بالاتر از این نقطه مایع و گاز غیر قابل تشخیص هستند و مایع فوق بحرانی تشکیل می‌شود که نه گاز است و نه مایع (برای اطلاعات بیشتر از مایع فوق بحرانی به زنگ تفریح 245 مراجعه کنید). وجود نقطه بحرانی گاز-مایع یک ابهام در مورد مفهوم نواحی تک فازی ایجاد می‌کند زیرا می‌توان بدون عبور از مرز فازی و با دور زدن نقطه بحرانی از مایع به گاز و یا از گاز به مایع رفت که در این حالت مایع و گاز در یک حالت تبدیل دائم به یکدیگر تا رسیدن به شرایط مورد نظر که یا گاز یا مایع است می‌باشند. نقطه بحرانی برای مرز فازی جامد-مایع نیز مطرح می‌شود که دقیقا مفهوم مشابهی با نقطه بحرانی مایع-گاز دارد.
مرز فازی مایع-جامد برای اکثر مواد یک منحنی با شیب مثبت است که با پیوندهای بین مولکولی و ساختار مولکولی کاملا قابل توجیه است. دلیل این امر این است که هرچه فشار افزایش می‌یابد مولکول‌های به هم نزدیک‌تر شده و پیوندهای بین مولکولی قوی‌تر می‌شوند و بنابراین دما یا انرژی بیشتری برای شکستن این پیوندهای و رفتن به فاز مایع نیاز است. اما استثناهایی هم نظیر آب وجود دارد که به دلیل ساختار مولکولی ویژه‌ی آن است.
توضیحاتی که در بالا داده شد خلاصه‌ای بود بر نمودارهای فازی که در مطالب مختلف نیز درباره آن صحبت شده بود. سوالی که در زیر نیز برای شما مطرح می‌شود یکی از سوالات المپیاد شیمی 2013 آمریکا است درباره همین مبحث. توضیحی که باید برای شما دوستان داده شود درباره عبارات مونکلینیک و لوزوجهی این است که این عبارات مربوط به ساختارهای هندسی کریستالی می‌باشند و تعریف کلی آن‌ها در سطح مطالب سایت نیست اما شما بدون دانستن مفاهیم این مواردنیز می‌توانید به سوالات پاسخ دهید و آمدن این مفاهیم در این سوال بیشتر برای این است که آیا شما با مفهوم کلی نمودار فازی آشنا شده‌اید یا نه.
نمودار فازی گوگرد در زیر نشان داده شده است. کدام گزینه درباره این نمودار نادرست است؟
1. نقطه بحرانی بالای 154oC و 103atm قرار دارد.
2. تنها دو نقطه سه گانه در نمودار وجود دارد.
3. گوگرد مونوکلینیک از گوگرد لوزوجهی در هر دمایی چگال‌تر است.
4. گوگرد مونوکلینیک در فشارهای بالاتر یا دماهای پایین‌تر تشکیل گوگرد لوزوجهی می‌دهد.