I SOLIDI

Passaggi di stato
Tecnologie di Chimica
Applicata
1
DIAGRAMMI DI STATO
I diagrammi di stato sono rappresentazioni grafiche
delle fasi presenti in un sistema a diverse
temperature, pressioni e composizioni.
I diagrammi di stato consentono di conoscere e
prevedere alcuni aspetti del comportamento dei
materiali ed in particolare di:
•Mostrare quali fasi sono presenti al variare della
composizione e della temperatura;
•Valutare la massima solubilità allo stato solido di un
elemento o composto in un altro;
•Conoscere la temperatura alla quale iniziano a
fondere o solidificare le fasi.
DIAGRAMMI DI STATO
Si definisce fase una
porzione
omogenea (a
livello
microstrutturale di
un materiale, che si
differenzia da altre
porzioni per
microstruttura e o
composizione
chimica
Solido A-Fase
1
SolidoB-Fase
2
Solido C-Fase
3
Diagramma di stato di sostanze pure
(H2O)
LIQUIDO
GAS
SOLIDO
VAPORE
∆H
dP
=
Eq. di Clausius Clapeyron
dT T∆V
dP P∆Hevap.
x l' evaporazione
=
2
dT
RT
Diagramma di stato di sostanze pure
(SiO2)
Tecnologie di Chimica
Applicata
5
REGOLA DELLE FASI
DI GIBBS
Permette di stabilire entro quali intervalli di T e
P un equilibrio eterogeneo non viene alterato
ovvero non viene alterato il numero delle fasi
presenti.
REGOLA DELLE FASI O DI GIBBS
v = n +f -φ
v = grado di varianza si intende il numero di variabili
stabiliti i valori delle quali le condizioni del sistema sono
esattamente definite.
n = numero specie chimiche – numero delle relazioni
indipendenti che intercorrono fra le concentrazioni delle
specie chimiche che compongono le diverse fasi del
sistema
f = numero dei fattori fisici attivi da cui dipende
l’equilibrio eterogeneo (T e P)
φ = numero delle fasi
APPLICAZIONE DELLA REGOLA DELLE FASI
AL DIAGRAMMA DI STATO DELL’ ACQUA
1) Curva di equilibrio liquido-vapore:
n = 1-0 = 1;
v= n+f- φ = 1+2-2= 1
f = 2 (T e P);
φ=2
sistema monovariante
Quindi una sola variabile può essere variata
indipendentemente mantenendo la coesistenza delle 2
fasi.
Pertanto se è fissata la pressione c’è UN SOLO
VALORE DI T a cui le 2 fasi coesistono.
SULLE CURVE DI EQUILIBRIO IL SISTEMA E’
SEMPRE MONOVARIANTE
APPLICAZIONE DELLA REGOLA
DELLE FASI AL DIAGRAMMA DI STATO DELL’
ACQUA
2) All’interno della fase solida:
n = 1-0 = 1;
v= n+f- φ = 1+2-1= 2
f = 2 (T e P);
φ=1
sistema bivariante
Quindi possono essere variate indipendentemente sia T
e P rimanendo il sistema monofasico.
ALL’INTERNO DI QUALSIASI FASE IL SISTEMA
E’ SEMPRE BIVARIANTE
APPLICAZIONE DELLA REGOLA
DELLE FASI AL DIAGRAMMA DI STATO DELL’
ACQUA
3) Al punto triplo:
n = 1-0 = 1;
v= n+f- φ = 1+2-3= 0
f = 2 (T e P);
φ=3
sistema zerovariante
Ciò vuol dire che nessuna delle variabili, T o P, può
essere cambiata mantenendo la coesistenza delle tre
fasi.
DIAGRAMMI DI STATO A DUE
COMPONENTI
Ci limiteremo ad esaminare alcuni dei più semplici
diagrammi binari con riferimento agli equilibri che si
possono creare fra le fasi liquide e solide;
Studieremo i casi in cui i componenti
completamente miscibili in fase liquida.
sono
La REGOLA DELLE FASI DI GIBBS si può
riscrivere:
v=2+1- φ
2 rappresenta il numero di componenti
1 rappresenta l’unico fattore fisico attivo (la
temperatura), poiché le trasformazioni prese in esame
avvengono a P costante.
Diagrammi di stato a due componenti miscibili A e B
allo stato liquido ed immiscibili allo stato solido
LIQUIDO
Punto
EUTETTICO
A solido + liquido
A solido +
B solido
B solido +
liquido
Costruzione dei diagrammi di stato a due componenti
miscibili A e B allo stato liquido ed immiscibili allo
stato solido
Curva di
raffreddamento
(tempo)
Regola di Gibbs
v = 2+1-1(fase) = 2
v = 2+1-2(fasi) = 1
v = 2+1-3(fasi) = 0
v = 2+1-2(fasi) = 1
Regola della leva
Le percentuali in peso delle fasi in una
qualsiasi regione bifasica di un diagramma
di stato possono essere calcolate applicando
la regola della leva.
Regola della leva
Sia X la composizione della lega
alla temperatura T;
Sia χA la frazione in peso di A
X
T2
f
c
Alla temperatura T2 avrò un
sistema bifasico costituito da solido
A e liquido di composizione χA,l in
A
d
La quantità in peso delle 2 fasi
(solido e liquido) si calcola
partendo da 2 equazioni:
1) La somma delle frazioni di
liquido e solido è uguale ad 1
WL + WS = 1
2) Peso totale di A è dato dalla
somma di A nelle due fasi:
χA = χΑ,l WL + χΑs WS
χΑ,s
χΑ
χΑ,l
Regola della leva
Dall’equazione 1 si ha:
WL = 1 - WS
Sostituendo nell’equazione 2:
χA = (1 − WS) χA,l + χΑ,s WS
χA = χA,l − χA,l WS + χΑ,s WS
WS(χΑ,s - χA,l )= χA - χA,l
Quindi la frazione in peso della fase solida sarà:
χ A - χ A, l
WS =
χ A, s - χ A, l
Analogamente si ottiene che :
χ A, s - χ A
WL=
χ A, s - χ A, l
Regola della leva : Metodo grafico
Poichè :
χA-χA,l = cd
X
e
χA,s-χA,l = fd
ne segue che
WS =cd/fd
T2
f
c
d
WL= fc/fd
% WS =(cd/fd)*100
% WL =(fc/fd)*100
χΑ,s
χΑ
χΑ,l
Diagrammi di stato a due componenti miscibili allo
stato liquido ed allo stato solido
I SOLIDI
Curva di
raffreddamento
Diagrammi di stato a due componenti miscibili allo
stato liquido ed allo stato solido
v = 2+1-1(fase) = 2
v = 2+1-2(fasi) = 1
v = 2+1-1(fase) = 2
Diagrammi di stato a due componenti miscibili allo
stato liquido ed parzialmente miscibili allo stato
solido
Soluzione
solida di B in
A
Miscela
meccanica di
Soluzione
solida di A in
B
Diagrammi di stato a due componenti miscibili allo stato liquido con
formazione di un composto a fusione congruente
( quando ad una certa temperatura si trasforma completamente in un liquido che ha
la sua stessa composizione)
Diagrammi di stato a due componenti miscibili allo stato
liquido con formazione di un composto a fusione
incongruente
( quando ad una certa temperatura si trasforma completamente in un liquido ed in un
solido di composizione diversa da quella di partenza)
Trasformazione
peritettica:
Fenomeni nel
corso dei quali un
liquido ed un
solido reagiscono
per dare un
solido differente