Diagrammi di fase binari: interpretazione

Per una data composizione e temperatura, i diagrammi di fase permettono di stabilire quali sono, all’equilibrio, le fasi presenti, la loro abbondanza e la loro composizione per una data composizione e temperatura (diagrammi T-x) , o per una data composizione e pressione ( diagrammi P-x).

Dall’analisi termica dei sistemi binari, formati cioè da due componenti, è possibile ottenere  diagrammi di fase che descrivono, in condizioni isobare o isoterme di equilibrio termodinamico, il rapporto esistente tra la temperatura e la composizione della miscela o tra la pressione e la composizione della miscela .

Per i diagrammi di fase binari, ovvero in cui sono presenti due componenti, si può presentare un sistema:

• che segue la Legge di Raoult, dovuta al fisico e chimico francese François-Marie Raoult, 
• con azeotropo 
• con eutettico

Si analizzerà un diagramma di fase con eutettico ovvero di una miscela di sostanze in cui il punto di fusione è minore rispetto a quello delle singole sostanze che la compongono.

In figura è rappresentato, in condizioni isobare, un diagramma di fase T-x relativo a due componenti A e B e le possibili fasi: cristalli di A, cristalli di B, liquido con composizioni variabili tra A puro e B puro.

Nei diagrammi di fase la composizione può essere espressa in termini di frazione molare di A o di B e la loro somma deve essere uguale a 1 o in termini di percentuale e in tal caso la loro somma deve essere uguale a 100.

Le curve delimitano il campo di esistenza della fase liquida e della fase liquida in equilibrio con quella solida. Una retta delimita il campo di esistenza dello stato solido.

Interpretazione dei diagrammi di fase

Come si nota dal grafico relativo a componenti immiscibili allo stato solido e completamente miscibili allo stato liquido i punti Tm_A e Tm_B rappresentano rispettivamente:

• la temperatura di fusione di A
• la temperatura di fusione di B.

La retta  che tocca il punto E detto punto eutettico, ha intercetta sul valore T_E e delimita il campo di esistenza dello stato solido. Nel punto eutettico e solo in esso tutte e tre le fasi, ovvero fase liquida, cristalli di A e cristalli di B si trovano in equilibrio.

Per tutte le composizioni tra A puro e B puro la temperatura di fusione è minore rispetto alla temperatura di fusione di A e di B puri e la fusione inizia alla temperatura dell’eutettico T_E.

Consideriamo la cristallizzazione di un liquido a composizione X.

In un sistema chiuso in un equilibrio di cristallizzazione o di fusione la composizione finale del sistema deve essere uguale a quella iniziale.

Quindi la composizione di X che è costituito dall’80% di A e dal 20% di B avrà, nel prodotto cristallino finale l’80% di cristalli di A e il 20% di cristalli di B.

Al di sopra della temperatura T₁ ci troviamo di fronte a un liquido. Alla temperatura T₁ iniziano a formarsi i cristalli di A. Al diminuire di essa si forma una quantità sempre maggiore di cristalli di A.

Nella fase liquida pertanto, mano a mano che si formano cristalli di A, aumenta la quantità di B. Abbassando la temperatura la composizione del liquido varia. A tutte le temperature comprese tra T₁ e T_E sono presenti due fasi: fase liquida e cristalli di A.

Alla temperatura T_E iniziano a formarsi i cristalli di B e quindi coesistono tre fasi: fase liquida, cristalli di A e cristalli di B.

Se la temperatura scende al di sotto di quella del punto eutettico T_E la fase liquida scompare.

Infatti  il liquido cristallizza completamente in cristalli di A e  di B che si troveranno nella stessa proporzione originaria ovvero:

• 80% di A
• 20% di B

Si può riassumere quanto detto nel seguente schema:

Per la composizione X:

T > T₁ → tutto liquido

Se invece T è compreso tra T₁ e T_E → liquido + cristalli di A

T_E → liquido + A + B

T < T_E → A + B solidi