Diagramma di fase a tre componenti: costruzione, interpretazione

Un diagramma di fase a tre componenti detto anche ternario è rappresentato attraverso un triangolo equilatero; si può così sfruttare la proprietà secondo cui per qualsiasi punto interno ad un triangolo equilatero, la somma dei segmenti paralleli ai lati e che lo congiungono agli stessi è uguale alla lunghezza del lato.

Un tale diagramma ci fornisce indicazioni relative alla composizione dei tre componenti di un sistema a pressione e temperatura costanti. Esso  mostra le condizioni in cui si trovano fasi termodinamicamente distinte all’equilibrio.

Il numero delle fasi di un sistema all’equilibrio dipende dalla temperatura, dalla concentrazione e dalla pressione.

Costruzione del diagramma

Nel diagramma rappresentato in figura i tre vertici del triangolo rappresentano un componente puro ovvero il 100% in massa di un componente che nella fattispecie sono indicati con A, B e C e in alternativa possono essere indicate le frazioni molari.

Nel primo caso i valori riportati vanno da 0 a 100 mentre nel secondo caso da 0 a 1. Si noti che un vertice del triangolo rappresenta il 100% di un componente e lo 0% degli altri due.

Ogni lato del triangolo rappresenta un sistema a due componenti di una miscela binaria e ogni linea tracciata parallelamente a uno dei lati rappresenta un valore percentuale costante di un componente.

Dividendo ogni lato in 100 unità uguali la posizione di un punto lungo la linea può essere direttamente correlata alla concentrazione percentuale di un componente in un sistema a due componenti.

Interpretazione

Consideriamo il punto M presente nel diagramma; si riportano le parallele ai lati AC, BC e AB per intercettare il punto M.

Nel punto M quindi il % di A è pari a 50, il % di B è pari a 30 e il % di C è pari a 20.

I diagrammi di fase a tre componenti possono trovare applicazioni in molti casi come, ad esempio, nel caso di tre liquidi.

Si consideri il sistema etanolo, acqua e benzene che dà il diagramma di fase rappresentato in figura ad una temperatura alla quale le tre fasi  sono tutte allo stato liquido

Quando un dato punto del sistema si trova nell’area indicata con P = 1 vi è una singola fase liquida la cui composizione viene descritta dalla posizione del punto.

Tale superficie si estende dal lato del triangolo che rappresenta miscele binarie di etanolo e benzene fino al lato del triangolo che rappresenta miscele binarie di etanolo e acqua. Ciò implica che etanolo e benzene sono miscibili in tutte le proporzioni così come etanolo e acqua, quando la composizione è tale che il sistema si trova nell’area denominata con P = 2 sono presenti due fasi liquide le cui composizioni sono date dalle posizioni delle estremità di una linea di collegamento attraverso il punto di sistema. Nel diagramma sono incluse quattro linee di collegamento rappresentative, che devono essere determinate sperimentalmente.

Nel limite della frazione molare zero di etanolo, la linea di collegamento cade lungo la base orizzontale del triangolo e mostra una lacuna di miscibilità per il sistema binario di benzene e acqua.

I punti della curva rappresentano punti in cui il sistema pur trovandosi con composizioni diverse non presenta lacuna di miscibilità.

Nei punti a, b e c sono presenti rispettivamente:

• a sono presenti due fasi liquide ovvero benzene e acqua
• b vi sono due fasi in cui l’etanolo è distribuito tra due solventi parzialmente miscibili ovvero l’acqua e il benzene
• c invece la fase ricca di benzene scompare

Diagrammi analoghi possono essere utilizzati anche nel caso di due solidi e un liquido come ad esempio cloruro di potassio, cloruro di sodio e acqua