בחלק זה של הקורס נעבור לעסוק בדיאגרמות פאזות — אחד הכלים החשובים ביותר של מהנדס החומרים. אך לפני שנוכל לקרוא דיאגרמה כזו, עלינו לבסס היטב את אבני היסוד שלה: מהי פאזה, מהי תמיסה, ומהי מסיסות.
מושג הפאזה
פאזה היא חלק של מערכת, אחיד לחלוטין בהרכבו הכימי ובמבנהו הפיזיקלי, והמופרד משאר חלקי המערכת בגבול ברור. כל הנקודות בתוך פאזה אחת זהות בתכונותיהן — אותו הרכב, אותו מבנה גבישי, אותו מצב צבירה.
נבחין בין שני סוגי מערכות:
מערכת הומוגנית — מערכת המורכבת מפאזה אחת בלבד. דוגמה: כוס מים נקיים, או כוס מים שבה הומס סוכר עד שנעלם כליל. בכל נקודה במערכת אנו מוצאים את אותו הדבר בדיוק. שימו לב — “הומוגני” אין פירושו “חומר אחד”: תמיסת סוכר במים היא שני חומרים, אך פאזה אחת.
מערכת הטרוגנית — מערכת המורכבת משתי פאזות או יותר, שביניהן גבולות ברורים. דוגמה: כוס מים ובתוכה קוביות קרח (שתי פאזות — מוצק ונוזל — של אותו חומר!), או מים עם טיפות שמן. כאן, אם נעבור מנקודה לנקודה, ניתקל בגבול ומעברו התכונות משתנות בבת אחת.
חשוב להפנים שני דברים. ראשית, פאזה אינה זהה למצב צבירה: מים וקרח הם שתי פאזות אף שמדובר באותו חומר, ולהפך — שני מוצקים בעלי מבנה גבישי שונה הם שתי פאזות נפרדות גם ששניהם מוצקים. שנית, מספר הפאזות אינו מספר החומרים: אפשר ששני חומרים יהיו פאזה אחת (תמיסה), ואפשר שחומר אחד יופיע בשתי פאזות (קרח ומים).
תמיסות
תמיסה היא פאזה אחת המכילה יותר מחומר אחד, מעורבבים זה בזה ברמה האטומית או המולקולרית באופן אחיד. נהוג לדבר על ממס (החומר הנמצא בכמות הגדולה) ועל מומס (החומר הנמצא בכמות הקטנה).
תמיסות נוזליות — אלה התמיסות המוכרות לנו מן הכימיה הבסיסית: סוכר או מלח במים, אלכוהול במים וכדומה. החומר המומס מתפזר בין מולקולות הממס ברמה המולקולרית, והתוצאה אחידה לחלוטין.
תמיסות מוצקות (solid solutions) — כאן טמון חידוש שאינו אינטואיטיבי: גם מוצק יכול להיות תמיסה. תמיסה מוצקה היא גביש שבו אטומים זרים שולבו בתוך הסריג של חומר המארח, מבלי לשבור אותו לפאזה נפרדת. כפי שראינו בפרק הפגמים, השילוב יכול לקרות בשתי דרכים: אטומים זרים תופסים מקום של אטומי המארח (תמיסה מוצקה תחליפית, substitutional), או אטומים קטנים נדחקים לעמדות חדירויות (תמיסה מוצקה חדירותית, interstitial).
התמיסות המוצקות הן לב ליבו של עולם הסגסוגות. הפליז, למשל, הוא תמיסה מוצקה של אבץ בנחושת; הפלדה, ביסודה, היא תמיסה מוצקה (חדירותית) של פחמן בברזל. כאשר נלמד לקרוא דיאגרמות פאזות, התמיסות המוצקות יהיו השחקניות המרכזיות.
תערובות ותרכובות
כדי שלא להתבלבל, נבחין בין שלושה מושגים קרובים אך שונים בתכלית:
תרכובת (compound) — חיבור כימי של יסודות ביחס קבוע ומוגדר, הקשורים בקשרים כימיים. למשל או . לתרכובת תכונות משלה, השונות לחלוטין מתכונות היסודות שמהם נוצרה. ההרכב קבוע ואי אפשר לשנותו ברציפות. בשל כך, ניתן להביע את הרכב התרכובת באמצעות נוסחה כימית, למשל צמנטיט (אחד מהמרכיבים של פלדות).
תמיסה (solution) — ערבוב אחיד (פאזה אחת) של שני חומרים או יותר, ללא יחס קבוע — ניתן להמיס מעט סוכר או הרבה סוכר, וההרכב משתנה ברציפות. אין כאן קשר כימי חזק בין הממס למומס.
תערובת (mixture) — ערבוב של שני חומרים או יותר השומרים כל אחד על זהותו ועל פאזתו הנפרדת. תערובת היא, אם כן, מערכת הטרוגנית (רב-פאזית): חול וברזל מעורבבים, או מים ושמן. ניתן בעיקרון להפריד את הרכיבים בדרך פיזיקלית (מגנט, סינון, ריכוז).
ההבחנה המכרעת: תמיסה היא פאזה אחת הומוגנית, ואילו תערובת היא מערכת הטרוגנית של כמה פאזות. סוכר שהומס במים — תמיסה. סוכר וחול שעורבבו יחד — תערובת.
מסיסות
ראינו שניתן להמיס חומר אחד בתוך אחר. אך עד כמה? מסיסות (solubility) היא הכמות המרבית של מומס שניתן להמיס בכמות נתונה של ממס בתנאים נתונים (טמפרטורה, לחץ), עד שמתקבלת תמיסה רוויה. מעבר לגבול זה, המומס העודף שוב אינו נמס — ואז נוצרת פאזה שנייה, והמערכת הופכת מהומוגנית להטרוגנית.
נבחין בשני מצבים עקרוניים:
מסיסות מלאה (מוחלטת) — שני החומרים מתמזגים זה בזה בכל יחס שהוא, מאפס ועד מאה אחוז, ותמיד מתקבלת פאזה אחת (= מערכת הומוגנית). דוגמה נוזלית מוכרת: מים ואלכוהול אתילי — ניתן לערבב אותם בכל יחס ולעולם לא תיווצר פאזה נפרדת. גם במוצקים הדבר אפשרי: נחושת וניקל, למשל, מסיסים זה בזה לחלוטין במצב מוצק ויוצרים תמיסה מוצקה רציפה בכל הרכב (הערבוב שלהם נעשה במצב נוזלי ואז מאפשרים לתמיסה להתקרר. גם לאחר הקפאון ממשכה המערכת להיות הומוגנית).
מסיסות חלקית (מוגבלת) — שני החומרים נמסים זה בזה רק עד גבול מסוים. כל עוד לא חרגנו מן הגבול — פאזה אחת, המערכת הומוגנית. ברגע שחרגנו — העודף נפרד, ומתקבלת מערכת הטרוגנית בעלת שתי פאזות. רוב צמדי החומרים בעולם האמיתי שייכים למקרה זה. דוגמה יומיומית: מעט מלח במים יימס כליל (פאזה אחת), אך אם נוסיף מלח רב מדי, העודף ישקע בתחתית הכוס כפאזה מוצקה שנייה.
נקודה אחרונה, שתהיה קריטית בהמשך: המסיסות תלויה בטמפרטורה. ברוב המקרים המסיסות עולה עם הטמפרטורה — מים חמים ממיסים יותר סוכר ממים קרים. עובדה זו היא בדיוק מה שיאפשר לנו, בפרקים הבאים, לקרוא ולהבין דיאגרמות פאזות: הקווים בדיאגרמה אינם אלא תיאור של גבולות המסיסות המשתנים עם הטמפרטורה.
