相図：種類と例

相図入門

化学や材料科学において、相図ほど強力で有益なツールはない。相図は、温度と圧力の異なる組み合わせの下で物質がどのように振る舞うかを視覚的に示すロードマップです。水がどのように蒸気に変わるのか、鋼鉄がどのように硬くなるのか、あるいは半導体製造中にシリコンがどのように溶けるのかを分析する場合でも、相図はこれらの変換を導く基礎となる物理を明らかにします。

固相、液相、気相の境界をマッピングすることで、科学者やエンジニアは、加熱、冷却、圧縮時の材料の反応を予測することができます。冶金産業から化学処理産業まで、相図は安定した材料や効率的な生産ルートを設計するために非常に重要です。

相図の種類

すべての相図が同じではありません。システムの複雑さに応じて、それぞれ異なる目的を果たします。

-単成分（単一成分）図は、純粋な物質の圧力、温度、および相の関係を示します。最も一般的な例は水の相図であり、固体（氷）、液体（水）、および蒸気領域をプロットする。

-二元系相図は、銅-ニッケルや鉄-炭素のような二成分系を表します。これらは冶金学で特に重要で、合金の組成が硬度、強度、溶融挙動に直接影響する。

-セラミックス、ガラス、多相合金のような複雑な材料では、3成分系の3元系相図を用います。三元系相図は、成分の様々な比率が安定性や相分布にどのように影響するかを科学者が理解するのに役立ちます。

三元系相図は、ある条件下でどのような相が存在するかを予測するものであり、研究や産業応用に不可欠なものである。

物質の状態

相図を理解するためには、物質の基本的な状態（固体、液体、気体）、およびそれらが温度と圧力の変化にどのように反応するかに立ち戻る必要がある。

- 固体：分子は互いに密着し、その場で振動する。固体は明確な形と体積を持ち、密度が高く、エントロピーが小さい。例えば、氷は0℃、1気圧で固体であるが、これは水素結合によって水分子が固定構造に保たれているためである。

- 液体：分子はより自由に動くことができ、液体は流動するが体積は変化しない。25℃、1気圧の水が良い例で、容器の形状を占めるが、非圧縮性である。

- 気体：分子は遠く離れており、急速に移動する。気体は明確な形も体積も持たず、非常に圧縮性が高い。100℃、1気圧の水蒸気がこの状態を示し、エントロピーと分子運動性が高い。

相図の主な特徴

すべての相図には、物質の挙動を読み取ることができる、いくつかの特徴的な特徴がある。

-三重点：固体、液体、気体の各状態が平衡状態で共存するユニークな条件。水の場合、これは0.01℃、0.006気圧であり、3つの状態が同時に共存できる条件である。

- 液相と気相が分離しなくなり、超臨界流体として存在する温度と液圧。水の場合、これは374℃、218気圧である。超臨界流体は液体と気体の性質を併せ持ち、高度な抽出や精製プロセスで使用される。

- 相境界：相を示す曲線または線。線または曲線を横切ると、融解、沸騰、昇華などの相変化が起こる。

これらの特徴により、科学者は物質の安定性と環境条件の変化による変化を完全に把握することができます。

相図の意義

相図は、科学と産業全般にわたって基本的な用途があります。

-材料科学と冶金学：材料科学と冶金学: 鉄鋼の製造において、鉄-炭素相図が、熱処理と組成が硬度と延性に及ぼす影響を決定する。例えば、0.8％の炭素を添加して焼入れすると、鋼はマルテンサイト相に変化する。マルテンサイト相は硬いが脆い相である。冷却速度を変えることで、フェライトやパーライトのような、より軟らかく延性のあるミクロ組織を得ることが可能である。

- 化学工学相図は蒸留における分離効果を決定する。例えば、エタノール-水の二元系相図は共沸組成（95.6%エタノール）を示しており、これを超えると通常の蒸留では混合物から不純物を除去することができなくなる。

- エレクトロニクスと半導体：例えば、シリコンやゲルマニウムの相図は、融点や凝固特性を決定するために利用され、結晶成長やウェハー製造に不可欠である。

-環境および気象学への応用：大気科学者は、 雲の形成や降水を予測するために水相図を使用します。様々な圧力条件下での蒸気、液滴、氷結晶の転移は、過冷却雨や雪の形成などの現象を説明します。

つまり、相図は単なる理論的な装置ではなく、実際の設計、建設、環境予測を導くものなのです。

例と要約表

水の相図が特によく知られているのは、その奇妙な癖のためである。一例を挙げれば、氷は圧力が高いほど低温で溶ける。ブレードの下にかかる圧力が氷をわずかに溶かし、薄い潤滑膜を作るのだ。

金属の場合、銅とニッケルの二元ダイヤグラムは、すべての組成において完全な溶解性を示し、特別に設計された強度と耐食性を持つ合金の形成を可能にする。対照的に、はんだ設計の基礎となる鉛-錫ダイアグラムは、その混合物の最低融点である183 °Cに共晶を有し、したがって電子部品のはんだ付けに適しています。

詳細情報

さまざまな熱および圧力条件に対する相図および材料の反応に関する詳細情報については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。同社のウェブサイトにある技術資料には、幅広い産業用途におけるセラミック、合金、ガラス系に関する詳細情報が記載されています。

よくある質問

相図から何がわかりますか？

相図は、温度と圧力の異なるレベルにおける材料の安定相を示し、融点、沸点、結晶化点の予測を可能にします。

なぜ三重点が重要なのですか？

温度計の校正や相転移の研究に役立ちます。

臨界点では何が起こるのか？

液体と気体の区別がゼロになり、優れた溶解・輸送特性を持つ超臨界流体が形成されます。

相図は混合物にも適用できますか？

はい。二元系や三元系の相図は、単一物質以上の物質の挙動を記述し、合体して合金、溶液、またはユニークな特性を持つ化合物を形成します。

なぜ産業界で相図が使われるのですか？

合金設計、蒸留、結晶成長、セラミック焼結などのプロセスの指針となり、材料が望ましい構造と性能を形成することを保証します。