| hlavní stránka | obsah | učebnice | mapa webu | o autorech | rejstřík |
6.5.1 Jednosložkové fázové diagramy
6.5.2 Dvousložkové fázové diagramy
6.5.3 Vícesložkové fázové diagramy
Popsat chování krystalů, kapalin a plynů různého
složení v různých termodynamických podmínkách (teplota a tlak) lze pomocí
fázových diagramů (diagramů stability). Základní pojmy jsou vysvětleny v kapitole
6.4. Fázový diagram si lze představit jako vícerozměrný geometrický útvar,
ve kterém se vynášejí fázové asociace vzhledem ke stavovým veličinám
(nejčastěji tlak, teplota, složení nebo aktivita). Do takových diagramů se
vynášejí pouze rovnovážné fázové asociace. Z fázových diagramů vícesložkových
soustav se obvykle konstruují rovinné řezy nebo trojrozměrné projekce (viz
kapitola 6.5.3.).
Složitost diagramů závisí především na počtu složek, které se v systémové rovnováze zúčastní. Charakteristika základních typů fázových diagramů je v následujících kapitolách.
Jedná se o fázové diagramy, které charakterizují polymorfní nebo polytypní přeměny, ve kterých je jediná složka charakterizující složení celého systému a mění se pouze teplota a tlak. Příkladem jsou fázové diagramy pro systémy grafit-diamant (obrázek 65-1), kalcit – aragonit (obrázek 63-1) nebo andaluzit – sillimanit- kyanit (obrázek 64-1).
Složení těchto systémů lze vyjádřit pomocí dvou
složek, které se vynáší na osu x. Na vertikální ose y se
obvykle vynáší teplota (fázový diagram za konstantního tlaku), ale také
tlak nebo aktivita.
Mezi nejčastěji používané fázové diagramy patří
diagramy pro rovnovážnou krystalizaci a rovnovážné tání. První z diagramů
(obrázek 65-2) definuje rovnovážnou krystalizaci a tání dvou dokonale mísitelných
pevných fází (obě fáze spolu v pevném stavu tvoří pevný roztok).
Diagram má na ose x složení systému – symbol A představuje jednu a
symbol B druhou koncovou fázi (obrázek 65-2). Na ose y vynášíme
teplotu, tlak se předpokládá konstantní. Horní křivka v diagramu
je křivka likvidu, která představuje mezní složení kapaliny, s níž
koexistuje pevná fáze. Spodní křivka je křivka solidu, která udává mezní
složení pevné fáze v koexistenci s kapalinou. Oblast nad křivkou
likvidu je oblastí, kde může existovat pouze kapalná fáze (tavenina) a v oblasti
pod křivkou solidu může existovat pouze pevná fáze. Oblast mezi křivkami
je oblast koexistence kapalné a pevné fáze za přesně definovaných podmínek.
Obě křivky se na diagramu spojují v krajních polohách složení systému
a tyto body udávají teplotu tání fáze A, resp. fáze B.
Budeme-li ochlazovat taveninu se složením, které odpovídá
svislé linii I (viz obrázek 65-2), při teplotě T1 začne vznikat
pevná fáze se složením s1. Dalším snižováním teploty do bodu
T2 se bude měnit poměr zastoupení kapalné a pevné fáze a zároveň
se bude měnit i jejich složení. V každé jednotlivé teplotě rovnovážné
krystalizace musí pevná fáze reakcí s kapalinou své složení měnit.
Složení krystalizující pevné fáze můžeme s klesající teplotou odečítat
na křivce solidu (body s1 až s3) a složení zbylé
taveniny můžeme odečítat na křivce likvidu (l1 až l3).
Při teplotě T3 je veškerá tavenina vykrystalizovaná a pevná fáze
má složení shodné s původní taveninou. Rovnovážné tání je opačným
procesem k právě popsané rovnovážné krystalizaci. Tímto způsobem
krystalizuje například systém forsterit – fayalit (obrázek
65-3) nebo
albit – anortit (obrázek 65-4).
Jiným příkladem fázového diagramu je rovnovážná krystalizace s eutektickou reakcí dvou nemísitelných pevných fází. Na ose x je složení systému definované nemísitelnými fázemi A a B, na ose y je teplota (obrázek 65-5). V digramu najdeme dvě křivky likvidu, které se spojují v bodě E (eutektikum), křivky solidu jsou svislé linie od teploty eutektika po body tání zůčastněných složek (body A a B). Při krystalizaci taveniny o průměrném složení definovaném linií I, začne při teplotě T1 krystalizace fáze a (složení viz bod A). Tavenina je ochuzována o tuto složku a její změnu složení můžeme odečítat na křivce likvidu z l1 až do lE (obrázek 65-5). Klesne-li teplota do bodu TE, začne krystalizovat i fáze b a veškerá tavenina vykrystaluje odběrem tepla ze soustavy, aniž se změní teplota; ta může dále klesat až po vyčerpání taveniny. Vzniká pevná fáze, která je směsí fáze a a b a výsledné složení pevné fáze v průměru odpovídá původnímu složení taveniny.
Bude-li tavenina odpovídat svým složením linii 2 (obrázek 65-5), bude průběh krystalizace stejný, pouze jako první začne krystalizovat fáze b (složení v bodu B) a v teplotě eutektika vznikne směs fází b+a.
V reálných horninách bude taková krystalizace charakteristická strukturou vyrostlic fáze a (v prvním případě se složením taveniny na linii 1), které budou mít krystalové omezení a zbylý prostor bude vyplněn eutektickou směsí a+b, takže fáze a se ve výsledné pevné fázi objeví ve dvou generacích.
Speciální případ nastane, pokud linie definující složení taveniny prochází eutektikem (obrázek 65-5, linie 3). Krystalizace (nebo tání) probíhá při teplotě TE a vzniká eutektická směs krystalů fáze a + b v odpovídajícím poměru.
Příkladem takového fázového diagramu je systém albit – cristobalit (obrázek 65-6).
Mezi dvoukomponentní fázové diagramy řadíme další typy, např. s peritektickým bodem. Tato problematika však již není náplní základů mineralogie.
V reálném horninovém prostředí pracujeme zpravidla s vícesložkovým systémem, jehož znázornění do diagramu je často velmi komplikované. Z tohoto důvodu se používají různé typy trojrozměrných diagramů (obrázek 65-7) nebo výřezů z víceprostorových grafů (obrázek 65-8).