2성분계 상태도#1 (공정점, 공정반응)

1. 모든 2성분계 상태도는 얼음과 같이 한 종류의 고체만 존재하는 경우와 철의 경우와 같이 여러 종류의 고체(동소체)가 존재하는 경우로 나눌 수 있다. 

얼음처럼 한 종류의 고체만 존재하는 경우를 생각해 보자.

 

용융상태(액체상태)에서 두 종류의 금속을 혼합하여 냉각하면, 두 금속은 고체 상태에서 다음과 같은 경우가 생긴다.

1) 두 금속 전체가 100% 매우 잘 혼합되는 경우

2) 일부만 혼합되고 나머지는 석출하는 경우

3) 전혀 조금도 혼합되지 않는 경우

4) 두 금속이 결합하여 다른 화합물로 변하는 경우

 

먼저 3)번의 경우를 설명해보자. 

3) 두 금속이 조금도 혼합되지 않는 경우 : 원자들이 균일하게 섞여있지 않고 따로 덩어리 상태로 섞여 있는 경우

아래 그림의 그래프에서 (a)는 순수한 물이고, (b)는 10%의 소금물이다. (a)는 0'c에서 물이 생기기 시작하며 a1에서 a3로 가면서 a3에 도달하면 모두 얼음으로 변한다. (b)는 b1에서 작은 결정(고체)가 처음으로 생기기 시작하며 온도가 내려감에 따라 고체의 양은 점점 많아진다. 

액체 속에서 처음 생긴 결정(고체)을 초정이라고 하며, 초정이 생기는 현상을 정출 한다고 한다. (고체 속에서 고체가 생기는 현상은 석출이라 한다.) 냉각되고 있는 소금물 속에서 고체인 초정이 정출하면서 응고열을 방출하고 따라서 소금물의 냉각속도가 느려져서 b1부분부터 볼록하게 된다. b2에서는 소금물과 초정 얼음이 섞여있는 상태가 된다. 이 점에서부터 물이 응고하듯이 소금물이 응고하기 시작하고 순수한 얼음 덩어리와 소금 동어리가 동시에 생기면서 응고한다. 이와 같이 동시에 생긴 두 종류의 결정을 공정이라 한다. b3에서는 초정인 얼음과 공정(얼음+소금)이 혼합되어 있는 상태로 되며 이 온도 이하에서는 이 조직이 그대로 존재한다. 

 

이와 같이 액체 상태(소금물)에서 두 종류의 결정이 동시에 생기는 반응을 공정반응이라고 한다. 그리고 공정반응이 일어나는 온도를 공정온도, 공정반응이 일어나는 점을 공정점이라고 한다. 

10% 소금물

소금물의 농도가 25%가 되면 아래 그래프의 (e)와 같이 된다. e1에서 초정이 정출하기 시작하는데 이때 생기는 초정은 얼음이 아니라 순수한 소금 덩어리이다. e2에서 나머지 소금물이 공정 반응 하기 시작하고 e3에서 모든 소금물이 공정으로 변한다. 따라서 초정인 소금과 공정(소금+얼음)이 혼합된 조직이다.

이때 b1, c1, d1은 소금물의 얼음(초정)이 생기기 시작하는 점이고, d1, e1, f1은 소금물의 소금(초정)이 생기기 시작하는 점이다. b3, c3, d3, e3, f3는 소금물(액체)이 모두 응고하여 고체로 변하는 점들이다. 

이 점들을 모두 선으로 연결하면 아래와 같이 된다.

이 그래프를 보면 a1, b1, c1, d1, e1, f1의 위쪽은 소금물이 존재하는 영역이고 a1-b1-c1-d1-c3-b3안의 영역은 소금물과 얼음이 존재하는 영역이며, f1-e1-d1-d3-e3-f3안의 영역은 소금물과 소금이 존재하는 영역이다. 그 아래 영역은 얼음과 소금이 함께 존재하는 영역이다. 

위 그림의 그래프처럼 소금의 양과 온도에 따라 생기는 모든 상태를 알 수 있고, 온도가 변할 때 물+소금이 어떤 상태에 있는가를 알 수 있고 이를 상태도라 한다.

 

이 상태도를 통해서, 

① 냉각하는 동안에 일어나는 현상과 생기는 물질을 알 수 있다.

② 고체 상태의 조직을 알 수 있다. (초정과 공정의 양과 비율이 다르다.)

③ 기계적 성질을 추측할 수 있다.