FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ

Transkript

1 FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ Malzeme Malzeme Bilgisi Bilgisi HOŞGELDİNİZ 1 /94

2 2 /94

3 ÇÖZÜNEN ve ÇÖZEN İki maddeyi birbirleri ile karıştırarak bir bileşik veya alaşım yapmak istediğimiz zaman, bileşik veya alaşımı oluşturan maddelerden bir tanesine çözünen (eriyen), diğerine ise çözen (eriten) adı verilir. Örnek: Bakır ile çinkoyu karıştırarak bir bakır-çinko alaşımı yaptığımızı düşünelim. Bu alaşımda bakır eriten, çinko ise bakır içerisinde eriyen elementtir. Demir ile karbonu karıştırarak bir demir-karbon alaşımı yaptığımızda ise, demir eriten (çözen), karbon ise demir içerisinde eriyen (çözünen) elementtir. 3 /94

4 MADDELERİN KARIŞTIRILMASI Bir maddeyi veya malzemeyi birbiri ile karıştırdığımız zaman, üç farklı durum söz konusu olabilir. Bir madde, karıştırılan diğer bir madde içerisinde; (1) Sınırsız eriyebilirliğe (çözünebilirlik), (2) Sınırlı eriyebilirliğe veya (3) Birbiri içerisinde eriyemezlik 4 /94

5 SINIRSIZ ERİYEBİLİRLİK Sınırsız eriyebilirliğe, su ile alkol karışımını örnek olarak verebiliriz. Su ile alkol oranları ne olursa olsun birbirleri ile karıştırıldığı zaman, tek bir sıvı faz (sıvı eriyik) meydana gelir. Çünkü su ve alkolün birbirleri içerisinde eriyebilirliği sınırsızdır. Bu çeşit karışımlara sınırsız eriyebilirlik adı verilir. 5 /94

6 SINIRSIZ ERİYEBİLİRLİK Bakır ile nikel elementleri hangi oranda olursa olsun, birbirleri ile karıştırıldığı zaman oda sıcaklığında tek bir katı faz (katı eriyik) oluştururlar. Bu katı faz içerisinde hem bakır, hem de nikel atomları homojen bir şekilde dağılmış halde bulunur. Dolayısıyla bakır ile nikelin de birbirleri içerisinde eriyebilirliği sınırsızdır. 6 /94

7 Birbiri İçerisinde Eriyemezlik Birbiri içerisinde eriyemezliğe en güzel örnek, su ile yağ karışımıdır. Su ile yağı birbirine karıştırdığımız zaman yoğunluk farkından dolayı yağ su üzerine çıkar. Su ile yağ birbirleri içerisinde eriyemezler. Bu nedenle su ile yağ karışımının olduğu kavanoz içerisinde, birbirine karışmayan iki farklı faz meydana gelir. Biri yağ fazı, diğeri ise su fazıdır. 7 /94

8 SINIRLI ERİYEBİLİRLİK Sınırlı eriyebilirliğe ise, su (H 2 O) ile şeker (C 12 H 22 O 11 ) karışımını örnek olarak verebiliriz. Bir miktar şeker, su ile karıştırıldığı zaman, su içerisinde şeker tamamen eriyerek (çözünerek) bir şeker-su karışımı elde edilir. Bu şeker-su karışımına daha fazla şeker ilave edilirse, belirli bir şeker miktarından sonra, su artık şekeri çözmez (eritmez). Çünkü su şekere doymuştur. Bundan sonra ilave edilecek şekerler, kavanozun dibinde çözünmemiş bir halde ve katı olarak birikecektir. Bu durumda suşeker karışımı iki farklı faz içerecektir. Birisi şekere doymuş sıvı faz, diğeri ise, çözünmemiş haldeki katı şeker fazıdır. Bu çeşit karışımlara da sınırlı eriyebilirlik adı verilir. 8 /94

9 Su içerisindeki şekerin eriyebilirliği sıcaklığa bağlı olarak değişir. Bu diyagramın x ekseni üzerinde soldan sağa doğru yüzde şeker miktarı, sağdan sola doğru yüzde su miktarı gösterilmektedir. Dikkat edilirse şekerin su içerisindeki eriyebilirlik sınırı hemen hemen dikey bir çizgi ile ifade edilmektedir. Bu diyagram sayesinde belirli miktardaki şekerin, hangi sıcaklıklarda ve ne kadar su içerisinde çözünebileceğini bulabiliriz. 9 /94

10 ÖRNEK gr su ve 130 gr şekerimiz mevcuttur. 30 C de çözünemeyen şeker miktarı kaç gramdır? CEVAP: Önce Su-şeker diyagramından yararlanarak, 30 C de kaç gram şekerin kaç gram su tarafından çözebileceğini buluruz. Diyagramdan bakarak, 65 gr şeker 35 gram su içerinde çözündüğünü görebiliriz. Elimizde 130 gram şeker olduğuna göre, bu şeker miktarından bulduğumuz 92.8 gr şeker miktarını çıkartırsak, çözünmeyen şeker miktarını bulmuş oluruz = 37.2 gr şeker çözünmez, dipte birikir. 10 /94

11 SINIRLI ERİYEBİLİRLİK Sınırlı eriyebilirliğe diğer bir örnek olarak magnezyum ile kurşun karışımını verebiliriz. Sıvı magnezyum içerisine sıvı kurşun ilave edersek, magnezyum-kurşun karışımı bir sıvı eriyik elde ederiz. 11 /94

12 Eğer sıvı eriği, oda sıcaklığına kadar soğutursak bir katı eriyik elde ederiz. Fakat sıvı eriyik % 41 den fazla kurşun içerirse, fazla kurşun atomları bazı magnezyum atomları ile birleşerek Mg 2 Pb bileşiği meydana getirirler. Dolayısıyla katı hal durumunda iki farklı fazdan söz edebiliriz. Birinci faz %41 kurşun ile doymuş bir katı magnezyum eriği, diğer faz ise Mg 2 Pb bileşiğidir. Kurşunun magnezyum içerisindeki eriyebilirliği, sınırlı bir eriyebilirliktir. SINIRLI ERİYEBİLİRLİK 12 /94

13 Saf Metallerin Tekli Faz Diyagramları Saf metallerin faz diyagramları genellikle sıcaklık ve basınca bağlı olarak gösterilir. Bu tür bir faz diyagramından, metalin hangi sıcaklık ve basınç altında hangi faz dönüşümünü gerçekleştirdiğini öğrenebiliriz. Saf bir metal, sıcaklık ve basınç şartlarına bağlı olarak Katı, Sıvı, Gaz fazlarında olabilirler. 13 /94

14 Malzeme Seçiminde Basınç-Sıcaklık Faz Diyagramlarının Önemi Bir uçak veya uzay mekiği gövdesinin imalatı için malzeme seçerken, belirli basınç ve sıcaklıktaki malzemelerin davranışını bilmek gerekir. Çünkü uzayda basınç düşüktür. Sürtünmeden dolayı ise gövde malzemesi ısınacaktır. Bundan dolayı en yüksek buharlaşma noktasına sahip, hafif bir malzeme tercih edilmelidir. Aksi takdirde düşük basınçta ve yüksek sıcaklıkta buharlaşan bir metal, uçağın veya uzay mekiğinin düşmesine sebep olabilecektir. 14 /94

15 Denge halindeki saf magnezyuma ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Sıcaklık ve basınca bağlı olarak, saf magnezyum üç farklı fazda bulunabilmektedir: (1) Katı magnezyum (2) Sıvı magnezyum (3) Magnezyum buharı. 15 /94

16 Denge halindeki saf magnezyuma ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Diyagram üzerinde gösterilen ve 1 atmosfer basınç noktasından çizilen kesik çizginin birinci eğri (CD eğrisi) ile kesiştiği nokta (E noktası) magnezyumun ergime derecesini verir. 16 /94

17 Denge halindeki saf magnezyuma ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı İkinci eğri (CF) ile kesiştiği nokta ise (B noktası), magnezyumun buharlaşma derecesidir. Diyagramda görüleceği gibi, çok düşük basınçlarda katı magnezyum direk olarak buhar fazına dönüşebilmektedir. 17 /94

18 Denge halindeki saf magnezyuma ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Diyagramda C harfiyle gösterilen bir üçlü kesişme noktası vardır. Bu noktada katı, sıvı ve buhar fazları birlikte bulunurlar. CD eğrisi üzerinde katı ve sıvı fazlar, CF eğrisi üzerinde de sıvı ve buhar fazları bir arada bulunurlar. 18 /94

19 KATI Sakarya Üniversitesi Denge halindeki Saf Demire ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Saf demir sıcaklık ve basınca bağlı olarak üç farklı fazda bulunabilmekted ir: (1) katı demir, (2) sıvı demir (3) demir buharı 19 /94

20 Denge halindeki Saf Demire ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Magnezyumun basınç-sıcaklık faz diyagramından farklılığı ise, katı demirin üç farklı katı faza sahip olmasıdır: (1) alfa ( ) demiri (2) gama ( ) demiri (3) delta ( ) demiri Alfa ve delta demirleri HMK, gama demiri ise YMK kafes yapısına sahiptir. 20 /94

21 Denge halindeki Saf Demire ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Demirin üç farklı fazın bir arada bulunduğu üç tane üçlü kesişme noktası vardır: Birinci üçlü noktada sıvı, buhar ve -demir fazları birlikte bulunurlar. İkinci üçlü noktada buhar, -demir ve - demir fazları birlikte bulunurlar. Üçüncü üçlü noktada buhar, -demir ve - demir fazları birlikte bulunurlar. 21 /94

22 Denge halindeki Suya (H 2 O) ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Su sıcaklık ve basınca bağlı olarak buz, sıvı ve buhar fazları olmak üzere üç farklı fazda bulunabilmektedir. Bir atmosfer basınç altındaki su, (a) 0 C altında buz, (b) C arasında sıvı (c) 100 C üstünde buhar fazlarını içerir. 22 /94

23 Denge halindeki Suya (H 2 O) ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Suyun her üç fazının bir arada dengede bulunduğu şart: C ve atmosfer basıncı Bu noktaya (diyagramda M noktası) suyun üçlü noktası adı verilir. Suyun faz diyagramı Farmasötik Teknoloji açısından oldukça önemlidir. Sulu çözeltilerin kurutulması sırasında suyun faz diyagramından yararlanılmaktadır. 23 /94

24 Denge halindeki Suya (H 2 O) ait Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramı Maddeler katı, sıvı ve gaz hallerde bulunmaktadır. Ancak gazlar kritik sıcaklıklarının üzerinde ısıtılır ve basınç uygulanırsa süper kritik faz adı verilen dördüncü bir faza geçerler. Bir maddenin kritik sıcaklığı (Tc), o sıcaklığın üzerinde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaştırılamayacağı maksimum sıcaklıktır. 24 /94

25 ÖRNEK UYGULAMA Soru: Suyun basınç-sıcaklık faz diyagramını dikkate alarak 0.1 atmosfer basınç altında; (a) Buz fazının ergime sıcaklığını bulunuz. (b) Suyun buharlaşma sıcaklığını bulunuz. 25 /94

26 ÖRNEK UYGULAMA Çözüm: (a) Buz fazının ergime sıcaklığını bulunuz. Suyun basınç-sıcaklık faz diyagramı üzerinde 0.1 atm basınç değeri üzerinden düz bir çizgi çizilir. Bu çizginin buz-sıvı fazları arasındaki eğri (donma eğrisi) üzerindeki çakışma noktası buzun ergime sıcaklığını verir. Buzun 0.1 atm basınç altındaki ergime sıcaklığı yaklaşık 1 C dir. 26 /94

27 ÖRNEK UYGULAMA Çözüm: (b) Suyun buharlaşma sıcaklığını bulunuz. Bu çizginin buhar-sıvı fazları arasındaki eğri (buharlaşma eğrisi) üzerindeki çakışma noktası suyun buharlaşma sıcaklığını verir. Suyun 0.1 atm basınç altındaki buharlaşma sıcaklığı 69 C dir. 27 /94

28 Denge halindeki CO 2 ait Basınç- Sıcaklık tekli faz diyagramı CO 2 faz diyagramı sıvı fazın 5.1 atm in altında oda sıcaklığında derhal gaz haline döneceği görülür. Normal atmosferik koşullarda (1 atm ve 25 C) ise gaz halindeki CO 2 in katı hale gelebilmesi için sıcaklığın C altına düşürülmesi gerekir. Bu noktaya süblimleşme noktası denir. 28 /94

29 Denge halindeki CO 2 ait Basınç- Sıcaklık tekli faz diyagramı Kuru buz normal basınç şartları altında sıvı halde bulunmayan karbondioksitin C'de ve 1 atm basınçta dondurularak katı hale getirilmesi ile elde edilen buzdur. Kuru buz parçacıkları pellet halindedir. Pellet Halindeki Kuru Buz Tanecikleri 29 /94

30 Basınç-Sıcaklık tekli faz diyagramından yararlanma CO 2 * soda üretiminde, * basınçlı teneke kutularında, * yangın söndürücüsü olarak, * petrol eldesinde, * dondurulmuş gıdalarda kullanılır. Süperkritik CO 2 * Tehlikeli solventler yerine kullanılarak ilaç ve kozmetik sektöründe partikül etkisi olarak * Kahvenin kafeinleştirilmesinde * Parfüm yapımında * Kuru temizlemede tehlikeli çözücüler yerine kullanılır. 30 /94

31 Gibbs FAZ KURALI Bir malzemenin denge halinde (yavaş soğuma şartlarında) bir arada bulunabilecek fazlarının sayısını öğrenebilmek için Gibbs faz kuralından yararlanılır. Gibbs faz kuralı şu şekilde tanımlanmaktadır: F = C P + 2 F = Serbestlik derecesi C = Sistemdeki elementlerin veya bileşiklerin sayısı (bileşen sayısı) P = Fazların sayısı Serbestlik derecesi (F), denge halindeki bir sistemde fazların sayısını değiştirmeden, bağımsız olarak değiştirilebilecek basınç, sıcaklık ve kimyasal bileşim olmak üzere üç değişkenin sayısını gösterir. Gibbs faz eşitliğinde kullanılan sabit 2 rakamı, iki adet değişken (basınç ve sıcaklık) olabileceğini ifade etmek amacıyla kullanılmıştır. /94

32 Su (H 2 O) Basınç-Sıcaklık Faz Diyagramı Bu diyagramda buhar fazı içerisindeki A noktasını ele alalım. Bu noktadaki bileşik sayısı C = 1 (sadece Su) Faz sayısı P = 1 (tek bir buhar fazı) F = C P + 2 A noktasındaki serbestlik derecesi (F) 2 dir. Suyun hangi fiziksel durumda olduğunu bilebilmek için sadece sıcaklığın veya sadece basıncın bilinmesi yeterli değildir. Her iki değişkenin de bilinmesi gerekir ki sitemin özelliklerini tam olarak saptayabilelim. A D C T B F = F = 2 bulunur. /94

33 Buhar ile sıvı faz bölgeleri arasındaki sınır çizgisi üzerinde bir noktayı düşünelim (örneğin C noktası) Bu noktadaki bileşik sayısı C = 1 (sadece Su) Fazların sayısı P = 2 (Buhar ve sıvı fazlar) Serbestlik derecesi (F)=? Su (H 2 O) Basınç-Sıcaklık Faz Diyagramı C noktasındaki serbestlik derecesi 1 dir. Bu eğrilerin (donma, buharlaşma ve süblimasyon eğrileri) herhangi biri üzerinde iken suyun katı-sıvı, sıvıbuhar veya katı-buhar halinde olup olmadığını belirleyebilmek için bir A C D T B tek değişkenin (sıcaklık veya basınç) bilinmesi yeterli olacaktır. F = C P + 2 F = F = 1 bulunur. /94

34 Su (H 2 O) Basınç-Sıcaklık Faz Diyagramı Örneğin; 100 C de sistemin sıvı ve buhar fazları arasında dengede olduğu bilindiğine göre, bu dengenin korunabilmesi için 760 mm Hg (1 atm) basıncından başka bir basınç olamayacağı anlaşılır. Başka bir ifadeyle; İki fazın dengede olduğu (donma, buharlaşma ve süblimasyon eğrileri üzerinde) sabit bir basınç seçilirse (örneğin 1 atm), bu dengeyi sağlayan diğer değişken olan sıcaklık (örneğin 100 C) otomatik olarak belirlenir. A D C T B 34 /94

35 Su (H 2 O) Basınç-Sıcaklık Faz Diyagramı Aynı diyagramda katı, sıvı ve buhar fazlarının kesiştiği üçlü noktayı ele alalım (T noktası) Bu noktadaki bileşik sayısı C = 1 (sadece Su) Fazların sayısı P = 3 (sıvı, katı ve buhar) Serbestlik derecesi (F)=? T noktasındaki serbestlik derecesi sıfırdır. Bu noktada değişkenlerden (basınç ve sıcaklık) hiçbirinin değiştirilmemesi gerekir ki, üç faz bir arada bulunmaya devam edebilsin. A D C T B F = C P + 2 F = F = 0 bulunur. Prof. Dr. Hüseyin UZUN Metalurji ve Malzeme Mühendsiliğ i /94

36 DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM 36 /94

37 ÖDEV /94

38 ÖDEV /94

39 ÖDEV /94

40 ÖDEV AZOT faz diyagramı /94

41 ÖDEV /94