Фазалар ережесі

Минералогиялық фазалар ережесі. Заттардың физикалық, (кейде химиялық) қасиеттері бірдей және механикалық әдіс бойынша бөлуге болатын бөлшектерін фаза дейді. Қысқаша айтқанда, фазаны заттардың физикалық қалпы деуге болады. Мысалы, судың үш түрлі қалпы бар, яғни су үш фазада бола алады: *су фазасы (сұйық қалпы) *мұз фазасы (қатты қалпы) *бу фазасы (газ қалпы). Фазалардың арасын бөліп тұратын беттері болады. Бір фазадан тұратын бір тектес затты гомогендік зат немесе гомогендік система дейді. Бірнеше фазадан тұратын затты гетерогендік система деп атайды. Гетерогендік система — әр түрлі қалыптағы система деген сөз. Балқыған магма салқындай бастағанда немесе ерітінді шамадан тыс канық қанда олардың ішінде қатты минералдар пайда болады. Демек, система гетерогендік болады, өйткені ол сұйық пен қатты фазалардан тұрады. Осындай аралас фазалы системаның температурасы және қысымы төмендей бастаса немесе құрамындағы еріген заттың қанықтығы арта бастаса, оның кристалдануы да арта береді. Басқаша айтқанда, сұйық фазасы азайып, оның есесіне қатты фазасы көбейе бермек. Егер температура мен қысым күші жоғарылай немесе құрамындағы еріген заттың қанықтығы ікеми бастаса, керісінше, пайда болған кристалдар қайта ери бастайды. Демек, қатты фаза азая береді, оның есесіне сұйық фаза көбейе бермек. Ерітіндінің температурасы мен қысым күші, құрамындағы заттың қанықтығы белгілі бір мөлшерде тұрақтайтын болса, ерітінді де тұрақтанып, оның ішіндегі фазалары өз ара теңгеріледі. Сонымен, гетерогендік системаның теңгерілуі температура мен қысым күшіне және оның құрамындағы заттың қанықтығына байланысты екен. Система теңдігін өзгертетін жағдайларды өзгермелі факторлар дейді. Демек, температура мен қысым күші және құраушы заттардың қанықтығы өзгермелі факторлар болып табылады. Гетерогендік системаның теңгерілуін, яғни минералдар құралудың жағдайын зерттеуде өзгермелі факторлардың санын айыру қажет. Минералды құраушы зат бөлшектері әр фазада біреу немесе бірнешеу болуы мүмкін. Әр фазаның химиялық формуласын түзуші және өз алдына өзгеруші бөлшектерін компонент деп атайды. Компонент — химиялық қосылысты құрайтын бөлшек деген оөз. Олай болса әрбір гетерогендік (ерітінді немесе балқыған) заттар системасы бір компоненттен де, бірнеше компоненттен де тұра алады. Мысалы, температура 0,008°С, қысым күші 4,8 мм сынап бағанасы болса, мұз, су және онын, буы — үшеуі де бірге бола алады. Мұнда компонент біреу ғана (Н 2 0 ) , ал фаза үшеу. Әр фазаның тұрақты болатын аймағын көрсететін диаграмманы температура мен қысым жазықтығында жасауға болады. Сонымен, системада өзгермелі факторлар саны, компоненттер саны және фазалар саны бір-біріне өз ара тығыз байланысты екенін көреміз. Осы байланыстың математикалық теңдеу өрнегін 1870 жылдары алғаш рет шығарған атақты америка ғалымы Виллард Гиббс. Гиббстың фазалар ережесі аталатын теңдеуінің қазіргі түрі мынау: P + f = C+2, мұндағы *Р — тенгермелі қалыпта тұратын фазалардың ең көп саны, *С — системадағы компоненттер саны, *f — системаның еркін дәреже саны, яғни өзгермелі факторлар саны (температура, қысым, компоненттер қанықтығы). Осы ережені қолдану арқылы қатар кұралатын минералдар санын табуға, яғни минералдардың парагенезисін айыруға болады. Демек, бұл аса манызды ереже. Осы ереженің қолданылуына бірнеше мысалдар келтірейік. Жоғарыда үш фазалы (мұз, су, бу), бір компонентті (су) системаны көрдік. Фазалар ережесінің теңдеуі бойынша ( C 1 , P 3 J 0): 3 + 01+2. Демек, мұнда еркімен өзгеретін фактор жоқ . Өйткені мұнда мұздын, судың және будын бірдей кездесуі өзгермелі жағдайда емес, тек бір тұрақты жағдайда (яғни температура 0,008°С, қысым 1,8 мм сынап бағанасы, компонент жалғыз таза су ғана болғанда) байқалады. Үш компоненттік системаны қарастырайық : СаО—Si0 2 —С0 2 . Бұл үш компоненттің система құратын жағдайы кремний тотығы мен ізбестас кездескен жерде, яғни контакт метаморфизм жағдайында болмақ. Осындай жағдайда температура мен қысым күшінің белгілі бір мөлшерінде волластонит (CaSi0 3 ) минералы пайда болатынын білеміз. Волластонит кұрылуының теңдеуі мынадай: CaC0 3 + Si0 2 = CaSi0 3 + C0 2 . Осы метаморфизм әрекетінде болатың температура мен қысым мөлшерін көрсету үшін диаграмма жасауға болады. Демек, төрт фазалы система болу үшін тек жалғыз ғана факторды (не температураны, не қысымды) өзгертуге болады (моновариант система).Егер төрт фаза орнына үш фаза алатын болсақ , онда өзгермелі фактор екеу (температура мен қысым), ал система бивариант болады. Фазалар ережесін қолдану, сол бойынша диаграммалар жасау, минералдардың парагенезисін айыру мәселесі кейінгі кезде тез дамып келеді. Д. С. Коржинский мен А. Г. Бетехтин көптеген минералдар тобынын парагендік диаграммаларын жасаған, минералогия оқулықтарына кіргізе бастады. Біз онын бәрін келтіре алмадық . Жоғарыда айтылған мысалдардан қандай диаграммалар болса да жасалу негізі түсінікті. Бұл жөнінде тек бір мәселені еске сала кетейік. Біз «Кристаллография негіздерін» баяндағанда кристалдардың көп жақты қатты заттық құрылысы мен оның заңын талдадық . Сонда кристалдардың жақтарын, бұрыштарын және қырларын өз ара байланыстыратын Эйлер заңын келтірген едік. Енді сол геометриялық Эйлер заңы мен Гиббстың фазалық заңы арасында тамаша ұксастық бар екенін көреміз. Осы ұқсастықты түсіну үшін екі формуланы қатар жазып қарастырайық : ж+б — қ + 2 (Эйлер зацы), P+f = C + 2 (Гиббс заңы). Осы ұқсастық бойынша фазаны кристалдың жазық бетімен, өзгермелі факторды бұрышымен, компонентті қырымен тең деп қарауға болады. Осы теңеуді бір онай түсінікке келтірейік. Әдетте жазық бет ең кемінде үш нүктеден, сызық екі нүктеден, бұрыш бір нүктеден тұрады. Олай болса, *ж Р 3; *ofl; *қ С 2, сонда *3 + 1 = 2 + 2. Осыған қарағанда үш фазалы система бір әзгермелі фактор мен екі компоненттен тұрады. Осы айтылған негізде фазалық — парагендік диаграммалар мен геометриялық фигураларды байланыстырып, екеуінің арасындағы терең заңдылықтарды табуға бет алған зерттеулер бар. Бұл мәселенің негізін құрағандардың бірі — атақты физикалық химия академигі Н. С. Курнаков. Қелешекте бұл жолда зор жаңалықтар табылар деп сенеміз. Фазалар ережесі мен геометриялық диаграммалардың екінші бір байланысатын жері эвтектика түсінігі. Дереккөздер