اصول ترمو ديناميك و شيمي بلور ها

اصول  ترمو ديناميك و شيمي بلور ها

كليات :

براي پي بردن به خواص فيزيكي و شيميايي كانيها لازم است كه ساختار اتمي پيوندها و شيمي بلورها را مورد بررسي قرار دهيم چرا كه خصوصيات كانيها تابعي از آرايش اتمي دروني آنهاست همانطوريكه تقارن خارجي بلورهاي يك كاني به ساختار بلوري آن مربوط مي شود. به همينگونه ترموديناميك (Thermodynamic) نيز به آرايشهاي گوناگون اتمي يوني و ملكولي و رابطه آنها با شرايط فيزيكي و شيميايي محيط خارج مي پردازد و بدان دليل كه منشأ سنگها و كانيها را روشن مي سازد حائز اهميت است ما بايد توجه داشته باشيم كه قوانين شيمي – فيزيك (Phisico-Chimical Condition) تقريباً بر تمامي فرآيندهاي ساخت كاني و سنگ حاكم مي باشد. در اين بخش از درس ترموديناميك بطور خلاصه و كلي كه براي فهم ژئوشيمي ضروري به نظر مي رسد صحبت خواهد شد. بنا به آنچه كه از مشاهدات بنيادي جهان مشهود است سازمان (Organization) يا ترتيب قرار گرفتن ماده هميشه در جهت حداقل انرژي است. كانيها و سنگها نيز از اين قاعده مستثني نبوده اند.

اصول ترموديناميك كه بوسيله شيميدان آمريكائي ويلارد گيبز(G.Willard Gibbs)  گسترش يافته به توضيح روابط دروني متغيرهايي چون دما فشار انرژي و تركيب (ساخت) مي پردازد. قبل از پرداختن به مسائل ترموديناميك بهتر است يك سري اصطلاحات تعريف شود:

1-              تعريف انرژي: انرژي عبارت است از استعداد و گنجايش يك سيستم به انجام دادن كاري و آن را با E نمايش مي دهند.

2-           انواع انرژي

الف) انرژي جنبشي (Kinetic Energy) كه مربوط به حركت است.

ب) انرژي پتانسيل يا ذخيره اي (Potential Energy): كه مربوط به وضعيت سيستم است.

ج) انرژي داخلي يا ذاتي(Internal Energy) : مقدار كل انرژي محتوي در يك سيستم را انرژي ذاتي يا داخلي گويند. اين انرژي تابع فشار، حجم و دما مي باشد و تغييرات آن را با   نشان مي دهند.

 مثبت: اگر سيستمي كه تغيير مي پذيرد انرژي جذب كند تغييرات داخلي  آن مثبت است.

 منفي: اگر سيستمي كه تغيير مي پذيرد انرژي دفع كند تغييرات داخلي  آن منفي است.

1-              تعريف سيستم: در بحث ترموديناميك منظور از سيستم آن بخش از جهان است كه تحت بررسي قرار مي گيرد. مانند ستارگان سنگها كانيها اتم ها كه در نظر محقق از ساير قسمتهاي جهان جدا دانسته مي شود. سيستم را بر حسب تغييراتي كه در آن بوجود مي آيد تعريف يا تقسيم بندي مي كنند.

1-4 : سيستم ايزوله يا سيستم منفرد (Isolated System) : سيستمي را كه انتقال جرم و انرژي در وراي محدوده آن سيستم امكان پذير نباشد سيستم ايزوله يا منفرد مي گويند به عبارت ديگر اگر سيستم داخلي طوري تغيير كند كه مستلزم تغيير سيستم خارجي نباشد آن را سيستم منفرد نامند. در اين حالت سيستم يا سيسستم خارجي تبادل جرم و انرژي نمي كند.

2-4: سيستم بسته (Closed System) : يك سيستم بسته سيستمي است كه داراي جرم ثابت است اما مي تواند انرژي كسب كند يا از دست بدهد.

3-4: سيستم باز(Open System) : سيستم باز سيستمي است كه مي تواند با سيستم خارجي تبادل جرم و انرژي داشته باشد.

4-4: فاز: فاز را مي توان به عنوان بخشي محدود از يك سيستم تعريف نمائيم كه نسبت به تمام خواصش همگن است. مثلاً تحت شرائط معين فلدسپاتهاي قليايي تشكيل فقط يك فاز را بدهند.

5-4: پارامترها : هر سيستم ترموديناميكي از روي برخي خواص اساسي مشخص مي شود كه به آن پارامتر گويند. بطور خلاصه خواصي كه حالت سيستم را تعيين مي كنند پارامترهاي حالت گويند مانند حجم، فشار، دما، كنش متقابل بين فلزهاي منفرد، غلظت فازهاي سازنده ميدان مغناطيسي و غيره . اين پارامترها يا خواص به دو دسته تقسيم مي شوند:

الف) پارامترهاي گسترده: (Extensive Parametres)

پارامترهاي گسترده يا خواص ظرفيتي: خواصي وجود دارند كه مقدارشان بستگي به اندازه و بزرگي سيستم يا فاز دارد مانند جرم يا تعداد مولها حجم آنتروپي و انرژي

ب) پارامترهاي محدود (مستقل) (Intensive Parametrs)

پارامترهاي محدود يا خواص متمركز اين پارامترها مستقل از وسعت يا بزرگي سيستم يا فاز مي باشند مانند دما، فشار و پتانسيل شيميايي، دانسيته يا چگالي و نيرو كه ارتباطي با مقدار ماده موجود در سيستم ندارد.

اصول ترموديناميك:

قانون اول ترموديناميك:

بر اساس قانون اول ترموديناميك انرژي نمي تواند بوجود آمده يا از بين برود. اگر سيستمي دچار تغيير حالت شود و انرژي دروني آن در حالت اول E₁ و در حالت دوم E₂ باشد در اين صورت  يا بعبارت ديگر مقدار تغيير انرژي برابر خواهد بود با  كه با يك گزاره رياضي بيان مي شود. اگر در اين تغيير مقدار انرژي معادل q توسط سيستم بصورت حرارت جذب شده و مقداري انرژي معادل W سيستم را بصورت كار مكانيكي ترك كند در اين صورت خواهيم داشت  و براي تغيير بسيار كوچك معادله بصورت زير در مي آيد: dE=dq-dw كار مكانيكي معمولاً از روي تغييرات حجم در قبال فشار ليتواستاتيك اندازه گيري مي شود كه در اين صورت خواهيم داشت: dw=pdv

مثال : بادكنك پر از گاز آرگون را كه هيچ افزايش يا كاهش در جرم آن انجام نمي پذيرد به عنوان سيستم خود در نظر بگيريم. در فشار ثابت P (يك اتمسفر) بادكنك داراي حجم معين V خواهد بود كه وابسته به جرم آرگون و درجه حرارت با دماي اوليه است. (حاصلضرب فشار در حجم با دما متناسب است T=PV) حال اگر بادكنك را به آرامي حرارت دهيم انرژي دروني سيستم فزوني مي يابد كه از افزايش حركت دمائي اتمهاي گاز در دماي بالاتر مشهود است.

در نتيجه : حجم بادكنك مقداري افزايش مي يابد در اين فرآيند كار انجام مي دهد.

فشار × تغيير حجم = فشار ×مساحت ×فاصله

فشار × تغيير حجم = كار

نهايتاً تحت فشار ثابت خواهيم داشت dW=Pdv

dE=dq-dw-------dE=dq-pdV

بنابراين : افزايش انرژي دروني سيستم متناسب است با دماي افزوده شده. اما از آن كمتر است زيرا مقداري انرژي افزوده شده تبديل به كار (انبساط) شده است. انرژي افزوده شده بصورت گرما از افزايش انرژي دروني بيشتر است چرا كه مقدار اندكي هم كار به شكل انبساط دماي انجام شده است.

قانون دوم ترموديناميك:

اين اصل درباره ارتباط موجود بين تغييرات انرژي گرمايي يك سيستم در دماي ثابت يا تغيير درجه بي نظمي يا آنتروپي (dS) بحث مي كند.

تعريف آنتروپي:

اساساً آنتروپي مقياسي است براي تعيين ميزان انحراف از يك آرايش اتمي كاملاً سازگار و سيستماتيك (Consistant & Syosdtemattic) . در دماهاي پايين اتمهاي يك ماده جامد سعي در حفظ نظم دارد ولي در دماهاي بالاتر آنتروپي جسم جامد بيشتر مي شود و اين بدان مفهوم است كه آرايش اتمي آشفته تر مي گردد. ادامه حرارت دهي به جسم جامد نهايتاً منجر به گسيختن پيوندهاي شيميايي گرديده و فاز مربوطه ذوب و يا تبخير مي گردد كه اين خود باعث افزايش باز هم بيشتر آنتروپي مي گردد. در هر فرآيند برگشت پذير مقدار آنتروپي سيستم (dS) را مي توان از روي مقدار حرارت دريافت شده توسط سيستم (dq) تقسيم بر دماي مطلق (T) اندازه گرفت. به بيان ديگر :     dS=dq/T

براي هر فرآيند برگشت ناپذير خودانگيز  dS> dq/T بنابراين معادله فوق را در مورد يك فرآيند برگشت پذير مي توان به شكل زير نوشت:   dE=TdS – pdV

مثال : اگر سيستمي متشكل از يخ را در نقطه ذوب آن تحت يك اتمسفر فشار يعني صفر درجه سانتيگراد در نظر بگيريم. افزودن انرژي – گرماي ذوب (Heat & Metting) درهمان دما (صفردرجه) يخ را كاملاً به آب تبديل مي كند. ميزان گرماي افزوده شده در اين حالت با افزايش آنتروپي متناسب است. بديهي است كه آنتروپي آب كه نظم ملكولي كمتري دارد به مراتب از آنتروپي يخ بلورين مشابه بيشتر است.

از آنجائي كه بسياري از فرآيندها در فشار ثابت رخ داده و فقط انرژي گرمائي و انرژي مكانيكي در آن نقش دارد و بخاطر اينكه تحت چنين شرائطي مقدار انرژي جذب شده توسط سيستم از محيط اطراف برابر يا افزايشي در تابع (E+PV) سيستم خواهد بود. محققين به اين نتيجه رسيدند كه براي سهولت امر تابع H يا آنتالپي را تعريف كنند بر حسب تعريف H=E+PV بنابراين براي هر تغيير جزئي dH=dE+PdV + VdP اگر تراديسي در فشار ثابت انجام شود يا به عبارت ديگر dP=0 باشد در آن صورت : dH=dq معناي اين عبارت اين است كه تغييرات آنتالپي هر فرآيند در فشار ثابت را مي توان از روي مقدار گرماي دريافت شده اندازه گيري كرد و بهمين دليل اغلب به آن گرماي واكنش هم مي گويند.

قانون سوم ترموديناميك:

در دماهاي بسيار كم ارتعاشات حرارتي (Thermal Viration) اتم ها در بلورها بسيار ناچيز است و در صفر مطلق K (273- درجه سانتيگراد) ساختار به حالتي كه در آن نظم كامل برقرار است مي گرايد. در چنين دمائي آنتروپي يك بلور كامل برابر صفر است. اين در حقيقت همان قانون سوم ترموديناميك است.

انرژي آزاد گيبز (G)  :

انرژي آزاد گيبز انرژي آزاد ناميده شده است. اين انرژي بيانگر مازاد انرژي دروني كار و انرژي گرمائي است كه نيروي محرك براي انجام يك واكنش را فراهم مي كند بصورت زير نوشته مي شود:  dG=VdP-SdT

براي سيستم در حالت تعادل تحت فشار و دماي ثابت مقدار G حداقل است و براي هر تغيير پايدار نيز dG=0 است يعني انرژي آزاد گيبز براي مواد واكنش گر(Reactants) و فرآورده (Products) برابر است.

تعريف پايداري: پايداري يا تعادل در يك سيستم اين است كه تجمع مواد تشكيل دهنده آن فاز يعني مجموعه آن داراي كمترين مقدار انرژي آزاد ممكن هستند.

مثال: اگر گذار تعادلي يخ درنتيجه آب را در نظر بگيريم:

يخ = واكنش گر  R                          آب = فرآورده   P

هر تغييري در مقدار انرژي گيبز براي فرآورده ها برابر است با    : dGP=VPdP –SPdT

براي واكنش گر:                                                              dGR=VRdP –SRdT

و از آنجايي كه انرژي آزاد گيبز براي واكنشگر و فرآورده برابر است خواهيم داشت:

VPdP = SPdT = VRdP – SRdT       dP(VP-VR) = dT (Sp – SR)

از dP و dT فاكتور گرفته خواهيم داشت:  dP/d^T=^S/^V

^S= مجموع آنتروپي فرآورده ها منهاي مجموع آنتروپي واكنشگرها

^V = تفاوت حجم كل فرآورده ها و واكنشگرهاست.

به اين معادله، معادله كلاپيرون(Clapyron Equation)  گفته مي شود.

بدون شك رابطه فشار – دما در يك واكنش خاص كاني شناسي يا سنگ شناسي در حالت تعادل هم به ميزان تغييرات آنتروپي و هم به تغيير حجم سيستم بستگي دارد.

اصول ترمو ديناميك و شيمي بلور ها

 

مثال: روابط پايداري P-T (فشار و دما) براي پلي مورفهاي مختلف يخ و نيز H₂O يخ و گاز.

در نقطه سه گانه (T) هر سه حالت H₂O در حالت همزيستي قرار دارند. در اين حالت:

1-              بخار رقيق بوده و كاملاً با فاز مايع كه نسبتاً چگاليده است متغير مي باشند.

2-              در طول منحني كه نشان دهنده تعادل موجود بين مايع و گاز در فشارها و دماهاي بالا و بالاتر است  فاز گازي بطور محسوس متراكم مي گردد در حالي كه فاز مايع بخاطر ازدياد دما منبسط مي شود.

3-              بنابراين چگالي و ساير ويژگيهاي اين دو فاز به يكديگر نزديك مي شوند و نهايتاً در نقطه بحراني يكسان و در نتيجه غيرقابل تشخيص مي گردند.

4-              در دماي بالاتر از 347 درجه و فشارهاي بيشتر از 221 بار از سيال آبگين فرا بحراني سخن مي رود كه از نظر تركيب شيميايي به H₂O خالص نزديك است ولي نه آب مايع است و نه بخار آب .

لغاتي که بايد ياد گرفته شود

Organization	Reversible	Composition
Thermal Vibratian	Petrochemistry	Heat of melting
Isolated	Gibbsfree energy	Internal energy
Mathematical statement	Excer	Heat
Reactants and productes	Initial temperature	Stable change
Degree of disorder	Stability	Transformed
Homogenous	Entropy	Equilibrium
Systematic	Aggregate	Consistent
		Maltiphase

 

قانون فاز: تعادلات فيزيكي و شيميايي سيستم هاي ناهمگن را بوسيله قانون فاز كه كاشف آن گيبز آمريكايي است تحت مطالعه قرار مي دهند. بوسيله آن مي توان دياگرام هايي رسم و از نظر كيفي پيش بيني كرد كه تغييرات عوامل تعادل فشار، درجه حرارت و غلظت در سيستم در حال تعادل چه تبادلاتي بوجود مي آورد. اين قانون كه براي آن محدوديتي نمي توان قائل شد دامنه بسيار وسيعي دارد كه امكان گنجاندن تمام مطالب آن در اين جزوه وجود ندارد و فقط تا حدوديكه در ژئوشيمي مورد استفاده قرار مي گيرد گفتگوئي از آن مي شود. از اين رو در ابتدا باختصار به چند تعريف لازم و ضروري مي پردازيم.

فاز: يك سيستم غيرمتجانس و ناهمگن از دو و يا چند قسمت متجانس تشكيل شده و هر قسمت از قسمت ديگر بوسيله سطوح محدودي جداگشته است اين قسمتهاي متجانس و همگن كه از نظر فيزيكي قابل تشخيص و از نظر مكانيكي از يكديگر جداشدني است و سيستم ناهمگن متعادلي را بوجود مي آورد به نام فاز معروف شده است يا به عبارت ديگر هر محيط همگن يك فاز مشخص تشكيل مي دهد. مخلوط چند گاز ولو بچگالي مختلف و دو مايع قابل اختلاط (آب و الكل) يك فاز تشكيل مي دهند ليكن جامدي كه در مايع حل نمي شود و يا دو جامد ولو اينكه ذرات آنها فوق العاده ريز باشد دو فاز ايجاد مي كند. وقتي يك تكه يخ در ظرف سربسته اي قرار داده مي شود سه فاز بوجود مي آورد يكي يخ ديگري آب مايع و بالاخره بخار آب. چنانچه ظرف كاملاً مسدود نگاه داشته شود اين تعادل مدتها پايدار مي ماند. كربنات كلسيم را در ظرف سربسته اي حرارت دهيد تعادل زير برقرار مي شود و سه فاز وجود توأم پيدا مي كند: CO₂ گازي و CaO جامد و CaCO₃ جامد.

سازندگان مستقل:

منظور از سازندگان بدون قيد صفت مستقل تمام مواد سيستم مي باشد ولي وقتي از سازندگان مستقل گفتگو مي شود منظور حداقل سازندگاني است كه مي توان مستقلاً آنها را تغيير داد و به كمك آنها غلظت هر فاز را به شكل يك معادله بيان كرد. براي روشن شدن اين مطلب بهتر اين است كه بذكر چند مثال بپردازيم:

1)  در تعادل يخ و آب و بخار آب سيستمي بوجود آمده كه سه فاز آن از نظر خواص فيزيكي با هم مغايرت دارد ولي از يك ماده شيميايي تنها آب سرچشمه مي گيرد بنابراين تنها سازنده مستقل اين سيستم همان آب است . صحيح است كه H وO در ساختمان آب وارد مي شود ولي نمي توان آنها را سازندگان مستقل دانست زيرا ايندو به يك نسبت مشخص با هم تركيب شده و مولكول آب را به وجود آورده است و مقدار آنها را نمي توان مستقلاً تغيير داد و از طرف ديگر مستقلاً در تعادل سيستم دخالتي نمي ورزند.

2)  در واكنش تفكيكي كلسيم كه سه فاز در حال تعادل قرار مي گيرد. سه فاز سازنده CO₂ و CaO و CaCO₃ شركت مي جويند. هيچ كدام از اين سازندگان را نمي توان براي بيان تركيب درصد تمام فازها بكار برد. اما اگر دو تا از آنها را به عنوان سازندگان مستقل در نظر بگيريم و بر حسب لزوم مقدار يكي از ايندو را صفر و يا حتي منفي پنداريم تركيب درصد تمام فازها ديگر طبق يكي از معادلات زير قابل بيان مي گردد:

 

مثلاً فرض كنيم كه CaO و CO₂ را سازنده مستقل مي پنداريم در اينصورت:

سازنده مستقل	فاز
CO2 + CaO	CaCO3
OCO2 + CaO	CaO
OCO2 + CO2	CO2

 

 

به همين نحو : اگر CaCO₃ و CO₂ سازندگان مستقل منظور شوند:

سازندگان مستقل	فاز
CaO + CO2	CaCO3
CaCO3 + CO2	CaO
OcaCO3 + CO2	CO2

بنابراين چون براي نمايش تركيب درصد تمام فازها دو سازنده از سه سازنده لازم مي باشد چنين واكنش تعادلي داراي دو سازنده مستقل مي شود.

درجه آزادي يا واريانس:

يك سيستم در حال تعادل تحت تاثير سه عامل قرار مي گيرد: درجه حرارت، فشار،  تركيب درصد فازها. حداقل عواملي را كه نمي توان به دلخواه ثابت نگاه داشت تا شرط تعادل سيستم كاملاً  مشخص گردد و يا تعداد شرائطي را كه مي توان مستقلاً عوض كرد بدون اينكه در حالت سيستم تبادلي ايجاد شود درجه آزادي يا واريانس گفته مي شود. فرض كنيد معادله 5x=3 در نظر است . امكان ندارد كه به X مقدار غير از   بتوان داد تا معادله فوق صحيح در آيد در اين صورت مي گوئيم كه درجه آزادي اين معادله صفر است. بر عكس معادله 2X+2Y=5 حل شدني نيست مگر به دلخواه مقاديري به X (ويا به Y ) بدهيم تا مقدار مربوط به Y (يا به X ) معلوم گردد. در اينجا درجه آزادي برابر با يك مي شود به همين نحو براي معادله 4X+Y+Z=2 بايد دو درجه آزادي قائل شد و مقادير به دوتا از اين سه متغير داد تا معادله حل گردد.در قانون فاز هم همين استدلال صدق مي كند.

 

معادله فاز: با تعاريف بالا ثابت مي كنند كه قانون فاز به صورت رابطه زير در مي آيد:   V=C+2-Q       

كه در آن V درجه آزادي يا واريانس و C سازندگان مستقل و Q تعداد فازهاي در حال تعادل

اگر V=0 باشد سيستم غير متغيره است.

با V=1 سيستم يك متغيره يا مونوواريان است.

با V=2 سيستم دوم تغيره يا  دي واريان است.

با V=3 سيستم سه متغيره يا تري واريان است.

بديهي است كه سيستم چهار متغيره وجود ندارد زيرا قانون فاز به سه عامل متغير خارجي فشار، درجه حرارت، تركيب درصد مقيد مي شود. در بعضي موارد مانند ذوب دو فلز و يا دو نمك بي آب فشار چندان دخالتي ندارد و مقدار آنرا مي توان ناديده پنداشت در اين صورت فرمول به صورت زير در مي آيد:                  V=C+L-Q  

در هر حال سيستم مي تواند داراي يك و يا دو و يا سه سازنده مستقل باشد كه از هر يك مثالي گفته مي شود.

سيستم يك سازنده:

بهترين مثال آن آب است كه مي تواند بر حسب شرائط عمل تحت سه فاز توأم و يا دو فاز توأم وجود داشته باشد. در اينجا مقدار آب دخالتي ندارد و فقط درجه حرارت و فشار مؤثر بر روي تعادل مي باشد لذا مي توان منحني تغييرات T و P را رسم و در هر لحظه شرائط تعادل را تعيين كرد. دياگرام نشان مي دهد كه از سه منحني OAو OB و OC  كه به ترتيب به تبخير، تصعيد و ذوب مربوط مي شود و بالنتيجه سه ناحيه مشخص در دياگرام به چشم مي خورد يكي ناحيه COA كه فقط آب مايع وجود دارد ديگري ناحيه BOC كه فقط يخ وجود دارد و بالاخره ناحيه AOB كه بخار آب وجود دارد.

 

براي اينكه هر نقطه اي در ناحيه اي مشخص گردد لازمست كه T و P آن دردست باشد لذا سيستم يخ و آب و بخار آب كه بوسيله ناحيه هاي سه گانه بالا نمايش داده مي شود داراي دو درجه آزادي مي باشد. قانون فاز ما را هم به همين نتيجه مي رساند زيرا براي هر كدام از نواحي مثلاً ناحيه AOC :        

V=C+2-Q = 1+2-1=2

 اما در نقطه  سه فاز جامد و مايع و بخار وجود توأم دارد و فقط در درجه حرارت 0 و فشار  است كه چنين شرطي وجود توأم صدق مي كند يا به عبارت ديگر هيچ متغيري را نمي توان دراختيار گرفت و T و P ثابت مي باشد. بهمين نحو اگر قانون فاز را نسبت به يكي از سه منحني OA و OC و OB اجرا كنيم  ملاحظه مي كنيم كه براي وجود تعادل بين دو فاز بخار و مايع در منحني OA لازم مي شود كه باختيار يكي از دو متغير را ثابت نگاه مي داريم تا مقدار متغير ديگر از روي آن معلوم شود و بالنتيجه هر كدام از سه منحني فوق محل تعادل دو فاز قرار مي گيرد قانون فاز همچنين نكته اي را مشخص مي دارد:

V=C+2-Q= 1+2-2=1

 

بالاخره منحني فوق نكته جالب ديگري را ميفهماند و آن اثر فشار زياد بر روي يخ توليد چهار نوع  بلور جديد يخ مي باشد منحني OC كمي به سمت چپ و به محور فشارها متمايل گشته است از اينرو پي مي بريم كه در فشار زياد نقطه ذوب يخ پايين مي آيد وچنانچه بر فشار افزوده شود منحني CD و DE و FG به دست مي آيد كه وجود چهار نوع يخ را نمايش مي دهد.

سيستم دو سازنده C=2

در اين نوع سيستمها كه هر دو سازنده مستقل در يك فاز مي باشد درجه آزادي V سيستم برابر با سه مي شود:      V=2+2-1=3

در چنين سيستم هايي نه فقط فشار و درجه حرارت بلكه تركيب درصد فاز هم مي تواند عوض شود. در اين صورت دياگرام را بايد بر روي سه بعد رسم كرد و آنرا با نمايش فضايي مجسم ساخت. به علت پيچيدگي دياگرام هر دفعه دو متغير را در نظر مي گيرند و متغير سوم را ثابت نگاه مي دارند بدين ترتيب : دياگرام (T,P) و يا دياگرام (T,C) و بالاخره دياگرام (P,C) بدست مي آيد.

براي مخلوطهائي مانند آلياژها كه فشار دخالت ندارد و يا انحلال اجسام جامد در مايع دياگرام (T,C) بكار مي رود و چنانچه در شيمي بحث مي شود اين نوع دياگرام به چهار و يا پنج حالت اصلي منتهي مي شود: ايجاد اوتكتيك. محلول جامد نسبي، تركيب مشخص و انحلال متقابل كه از توضيح آنها خودداري مي شود و براي درك بيشتر بهتر اين است كه به كتب شيمي فيزيك مراجعه گردد.

سيستم سه سازنده C=3

اين نوع سيستم ها كه سه سازنده مستقل در آنها شركت مي جويند و در ژئوشيمي اهميت خاصي پيدا مي كند دياگرامهايي مي دهد كه تأثير فشار در آنها ناديده گرفته شده و معادله قانون  فاز بصورت اختصاري آن بايد بكار برود در اين صورت بر حسب تعداد فازها Q درجه آزادي V سيستم از روي نقشه زير بدست مي آيد:

Q   1    2    3   4

V    3   2    1   0

براي نمايش كامل فازهاي در حال تعادل در فشار ثابت و در مورد چنين سيستمهايي بايد دياگرام سه بعدي كه معمولاً آنرا نقشه يا مدل فضايي مي نامند بكار رود. نمايش تركيب درصد مستلزم دو بعد است و نمايش درجه حرارت بعد سوم را تشكيل مي دهد.

دياگرام منشور مثلث القاعده اي مي شود كه اضلاع قاعده آن با هم مساوي مي باشند. خط الرأسها و يا اضلاع عمودي منشور محور درجه حرارت و اضلاع مثلث سه سيستم دوتائي AC و BCو BA را كه خود تشكيل دهنده سيستم سه تائي  A , B , C مي شوند نمايش مي دهند در اين صورت با توجه به مثلث متساوي الاضلاع قاعده كه هر رأس آن را يكي از سازندگان اشغال كرده است هر نقطه بر روي اضلاع نمايش يك مخلوط دوتائي و هر نقطه در درون مثلث نمايش يك مخلوط سه تائي را مي دهند.

معمولاً طول هر ضلع مثلث را 100 قسمت مساوي مي كنند كه هر قسمت آن تركيب درصد مخلوط دوتائي را تعيين مي سازد. از اندازه گيري تركيب درصد پي مقدار درصد وزني و از روي مقدار درصد وزني مقدار هر سازنده را در مخلوط سه تائي بدست مي آورند. فرض كنيم مي خواهيم بدانيم كه نقطه مانند X در درون مثلث چه مقدار از اجسام A , B , C دارا مي باشد. براي سهولت تصوير و تعيين نقاط تركيب درصد معمولاً مثلث متساوي الاضلاع را به خطوط موازي آن خط كشي و به مثلثهاي متساوي الاضلاع كوچكتر تقسيم مي نمايند. معمولاً هر ضلع به صد قسمت كه اكنون اين مثلثها بطور آماده در بازار وجود دارد. مثل مثلث زیر:

 

فرض كنيم مي خواهيم مقدار درصد آلياژ Y را نمايش بدهيم كه در آن مقدار سازنده B برابر با 50 % و مقدار سازنده C برابر با 30 % مي باشد . از نقطه A طول AB را بر روي ضلع AB جدا مي سازيم كه با 50 % تطبيق مي كند. آنگاه از روي ضلع AC طول خط AC را كه به 30 % مربوط مي شود جدا مي سازيم. حال از دو نقطه A , C دو خط به موازات AB , AC رسم مي كنيم و نقطه تقاطع آنها نقطهاي مانند Y مي شود كه تركيب درصد آلياژ را مي دهد.

تعادل فازي:

مطلب اخير شامل بكارگيري شاخه اي از علم شيمي – فيزيك به نام تعادل فازي در سنگ شناسي است. هر سيستم ممكن است از يك يا چند فاز تشكيل شود. در يك سيستم غير متجانس و ناهمگن هر قسمت از قسمت ديگر بوسيله سطوح محدودي جداگشته است اين قسمتهاي متجانس و همگن از نظر فيزيكي قابل تشخيص و از نظر مكانيكي از يكديگر جدا شدني است و سيستم ناهمگن متعادلي را به نام فاز بوجود مي آورد.

مخلوط چند گاز ولو به چگالي مختلف و دو مايع قابل اختلاط (آب و الكل) يك فاز تشكيل مي دهند. ليكن جامدي كه در مايع حل نمي شود و يا دو جامد ولو اينكه ذرات تشكيل دهنده فوق العاده ريز باشند دو فاز ايجاد مي كند. يك تكه يخ در ظرف سربسته سه فاز بوجود مي آورد يكي يخ، ديگري آب مايع و سومي بخار آب . چنانچه ظرف كاملاً مسدود نگاه داشته شود اين تعادل يونها پايدار مي ماند.

تعريف همنه (Component):

به گونه هاي (Species) مستقل موارد شيميايي كه براي توصيف تركيب (Composition) و مساحت كليه فازهاي موجود در يك سيستم لازمند همنه گويند.

مثال: در ذوب خشك فورستريت تنها يك همنه يعني (2MgO.SiO₂) براي بيان تركيبات فازها لازم است. از طرف ديگر در واكنش هاي كم دما براي سيستم با تركيب 2MgO , SiO₂ , 2H₂O به سه همنه H₂O , MgO , SiO₂ نياز است.

در بحث مربوط به شرائط منشأ سنگها و كانيها چندين نوع تعادل فازي وجود دارد كه عبارتند از :

1-              جامد خشك (Anhydrius Solid)  جامد خشك و يا مذاب خشك (Anhy.Melt)

2-              جامد آبدار   جامد سيال + سيال

3-              جامد خشك + سيال     مذاب آبدار

در اينجا بعنوان مثال به تعادل فازي جامد خشك مي پردازيم و الباقي مطالب را مي توان از صفحه 56 الي 63 كتاب مواد زمين ترجمه دكتر فريد مر مطالعه كرد.

 جهت مشاهده ادامه موضوع برروی ادامه مطلب کلیک نمایید

ادامه نوشته