Definizione del diagramma di fase

Un diagramma di fase è una rappresentazione grafica dei diversi stati di equilibrio termodinamico di un sistema in diverse condizioni. Questo tipo di grafico ci consente di prevedere, tra l’altro, le fasi che sono presenti in determinate condizioni, nonché la proporzione in cui si trova ciascuna fase e la sua composizione, nel caso di miscele binarie o miscele più complesse .

Tipi di diagrammi di fase

Diagrammi di fase a componente singolo (diagrammi di sostanza pura)

Questi diagrammi mostrano le diverse fasi o stati di aggregazione in cui si può trovare una sostanza pura a diversi valori di temperatura e pressione. Questi diagrammi di fase possono diventare molto complessi, specialmente nella fase solida, dove le condizioni di temperatura e pressione possono favorire la formazione di molteplici strutture cristalline differenti con proprietà marcatamente differenti .

Di seguito è mostrata la forma tipica di un diagramma di fase per una sostanza pura:

Due esempi di diagrammi di fase tipici di una sostanza pura sono quelli del carbonio elementare e dell’elio, mostrati nella figura seguente. Il carbonio , un non metallo , può presentarsi in diversi allotropi solidi (grafite e diamante); Può anche verificarsi allo stato liquido e gassoso. Nel caso dell’elio, questo è un gas che non può essere facilmente liquefatto.

Diagrammi di fase di sistemi binari (diagrammi a due componenti)

I diagrammi di fase binari sono costituiti da una rappresentazione grafica delle fasi che si formano a diverse temperature o a diverse pressioni in un sistema formato da due componenti (sistema binario) in funzione della composizione totale del sistema (solitamente rappresentata sull’asse X) .

Questi sistemi, a seconda dei particolari componenti della miscela, possono dar luogo a diversi tipi di diagrammi di fase. In alcuni di questi diagrammi si formano fasi separate dei componenti puri in diversi stati di aggregazione (solido, liquido o gassoso), mentre in altri casi si formano fasi omogenee di entrambi i componenti.

Di seguito sono mostrati due diagrammi di fase binari. Il primo è un esempio di sistema binario che forma una miscela eutettica, mentre il secondo no.

Diagrammi di fase dei sistemi ternari (diagrammi di tre componenti)

In questi diagrammi viene utilizzato un triangolo per rappresentare, su ogni lato, la composizione di ognuno dei tre sistemi binari che si possono formare tra tre componenti. Qualsiasi punto all’interno del triangolo rappresenta un sistema ternario di composizione definita.

In questi casi, la concentrazione di ciascuna specie dovrebbe essere rappresentata, o come frazione molare o frazione di massa (per garantire che tutte le frazioni si sommino a 1) o come percentuale (per garantire che la concentrazione totale sia sempre pari al 100%). ).

Per ogni possibile composizione del sistema, a temperatura e pressione fissate, viene mostrata la fase o le fasi presenti.

Costruzione di un diagramma di fase

Il processo di costruzione di un diagramma di fase può essere effettuato sia teoricamente che da informazioni sperimentali. Nel primo caso, le equazioni termodinamiche sono utilizzate per calcolare lo stato di equilibrio di un sistema (sia esso una sostanza pura, una miscela binaria o un sistema ternario) in funzione delle proprietà del sistema e della sua composizione. Fatta eccezione per i sistemi relativamente semplici, questo approccio è notevolmente complesso e difficile da realizzare.

Da un punto di vista sperimentale, le procedure utilizzate per costruire i diagrammi di fase sono generalmente simili, indipendentemente dal tipo di diagramma di fase in questione. Nella maggior parte dei casi si cerca di partire da un sistema in uno stato iniziale ben definito dal punto di vista della sua composizione e di altre proprietà, e lo si osserva in qualche modo (a occhio nudo o attraverso tecniche strumentali). quale fase o fasi sono presenti. Quindi variare gradualmente alcune delle proprietà del sistema, mantenendo costanti tutte le altre proprietà, prendendo nota di ogni cambiamento di stato e delle condizioni in cui si è verificato questo cambiamento di stato.

Costruzione di diagrammi di sostanze pure

Nel caso di sostanze pure , solitamente si imposta una pressione e poi si varia la temperatura, rappresentando sul diagramma i punti di cambiamento di fase all’altezza della corrispondente pressione. Quindi la pressione viene modificata e il processo viene ripetuto. L’unione dei punti in cui avvengono i cambi di fase e le intersezioni tra le curve risultanti permettono la costruzione del diagramma di fase, indicando in ogni regione su ogni lato di ogni curva quale fase è presente.

Costruzione di diagrammi binari

Nel caso di sistemi binari, normalmente si inizia con i due componenti puri a una pressione o temperatura definita e si varia l’altra variabile (temperatura o pressione, rispettivamente), rilevando nuovamente la temperatura o la pressione alla quale si verifica un certo cambiamento di fase. Questi punti sono rappresentati sugli assi verticali. Quello di destra rappresenta uno dei componenti puri e quello di sinistra l’altro.

Quindi, vengono preparate miscele di entrambi i componenti con concentrazioni definite in termini di loro frazione molare o di massa (o loro percentuali). Per ogni composizione (tracciata sull’asse x) variare nuovamente la temperatura o la pressione e notare i cambiamenti di fase come prima.

Costruzione di diagrammi ternari

La procedura per i diagrammi ternari è solitamente un po’ più complessa. In alcuni casi lo scopo è quello di preparare impasti che corrono paralleli ad uno dei lati del diagramma, in altri casi si fa perpendicolarmente e in altri casi in diagonale. Ciascuno di questi tour ha il suo particolare modo sperimentale di essere raggiunto, compreso il mix di un sistema binario fisso con quantità crescenti del terzo componente e viceversa, tra gli altri.

A cosa servono i diagrammi di fase?

L’applicazione dei diagrammi di fase dipende dal particolare tipo di diagramma di fase in questione.

Utilità dei diagrammi di fase delle sostanze pure

Nel caso di diagrammi di sostanze pure, il diagramma di fase ci fornisce informazioni chiare sulla fase in cui si troverà il sistema in funzione della pressione e della temperatura. Grazie a ciò, ci permette anche di prevedere i cambiamenti di fase che devono verificarsi quando portiamo un sistema da uno stato iniziale a uno finale attraverso percorsi diversi.

D’altra parte, questo tipo di diagrammi di fase consente anche di prevedere le temperature di cambiamento di fase (o punti di cambiamento di fase) di una sostanza pura a diverse pressioni. Ad esempio, possiamo vedere chiaramente come cambiano i punti di ebollizione e di fusione in funzione della pressione.

Utilità dei diagrammi binari di fase

Nel caso dei diagrammi di fase binari, questi offrono informazioni sulle diverse fasi, le loro proporzioni e la loro composizione al variare della temperatura mantenendo costante la pressione o della pressione mantenendo costante la temperatura. Trattandosi di diagrammi bidimensionali, non è generalmente possibile osservare contemporaneamente i cambiamenti di fase, le proporzioni in cui ogni fase è presente e la sua composizione in funzione della temperatura e della pressione. Tuttavia, la costruzione di diagrammi binari di fase in funzione della temperatura a diverse pressioni può fornirci indirettamente queste informazioni.

I diagrammi di fase dei sistemi binari permettono di studiare le interazioni tra le diverse fasi che si possono formare tra due diverse sostanze chimiche. Queste fasi possono includere fasi pure di entrambi i componenti in stati diversi (solido e liquido, per esempio) o fasi omogenee contenenti entrambi i componenti (come leghe, soluzioni, co-cristalli, ecc.).

Grazie a quanto sopra, i diagrammi di fase binari consentono l’identificazione di sistemi eutettici, che sono sistemi binari che fondono a un’unica temperatura e il cui punto di fusione è inferiore a quello di uno dei due componenti puri. Inoltre, consentono di determinare la temperatura di fusione di questo sistema, nota come punto eutettico. Questo è molto importante in varie applicazioni industriali, in quanto consente l’identificazione e la progettazione di leghe metalliche ad alta resistenza e basso punto di fusione utili, ad esempio, nella saldatura.

Utilità dei diagrammi di fase ternari

Infine, nei diagrammi di fase ternari, viene utilizzato un diagramma triangolare per poter rappresentare simultaneamente in un punto le proporzioni in cui si trovano i tre componenti di una miscela ternaria. Ciò significa che in questi diagrammi non possiamo osservare l’effetto della temperatura e della pressione sulla/e fase/e presente/e nel sistema ternario, ma solo l’effetto della composizione.

Pertanto, un diagramma di fase ternario viene utilizzato principalmente per determinare come si comporta un sistema ternario al variare della concentrazione relativa di uno dei componenti. Questo è utile per studiare sistemi in cui sono mescolate due soluzioni con diversi soluti, poiché il solvente ei due soluti saranno presenti nella miscela, formando così un sistema ternario.

Parti di un diagramma di fase

I seguenti diagrammi sono usati per descrivere le parti di un diagramma di fase per una sostanza pura e un sistema binario:

Gli assi del grafico

A seconda del tipo di diagramma di fase, questi possono rappresentare pressione e temperatura (come nel caso del primo diagramma), frazione molare di un componente (come nel caso del secondo), o di due componenti (come nel caso di diagrammi ternari). ).

Curve di equilibrio di fase

Sono le curve che separano una fase da un’altra in un diagramma di fase. Le curve AB, BC e BD nel diagramma precedente di una sostanza pura sono tutti esempi di curve di equilibrio di fase, così come le curve AB e AD nel secondo diagramma.

punti tripli

Nei sistemi di sostanze pure, il punto triplo è quello in cui più curve di equilibrio di fase coincidono, quindi ci sono 3 fasi in equilibrio simultaneo. Corrisponde al punto B nel primo diagramma della figura precedente.

Punti critici

Corrisponde al punto D nel primo diagramma. Indica la temperatura massima alla quale una sostanza pura può esistere allo stato liquido. Al di sopra di questa temperatura la sostanza è sempre gassosa ea temperature e pressioni maggiori si comporta come un fluido supercritico.

punti eutettici

Corrisponde al punto A nel diagramma binario dell’immagine precedente. È il punto in cui entrambe le fasi si fondono insieme passando direttamente dallo stato solido allo stato liquido senza che nessuna delle due fasi solide originarie rimanga presente. Questo punto segna sia la temperatura di fusione dell’eutettico che la composizione dell’eutettico per il sistema binario considerato.

Non tutte le miscele formano miscele eutettiche, ma molte, come le leghe, lo fanno.

Riferimenti

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