Diagramma ternario

Un diagramma ternario, detto anche diagramma triangolare, triangolo di Gibbs, triangolo di fase di Gibbs o diagramma di De Finetti viene utilizzato in chimica per illustrare gli equilibri di fase dei sistemi a tre componenti.

Il diagramma ternario fornisce dati precisi e accurati dei vari sistemi di più componenti e sono utilizzati in diverse aree farmaceutiche come la formulazione di emulsioni, microcapsule, gel, metodi di rivestimento polimerico e diversi altri processi di formulazione e, nel campo delle geoscienze, per classificare materiali come rocce, suolo, sedimenti o composizioni di minerali.

Un diagramma ternario è generalmente rappresentato da un triangolo equilatero in cui ogni vertice rappresenta un componente specifico presente al 100%. Per normalizzare i dati in percentuali di ogni componente bisogna fare il rapporto tra quantità di ogni componente e la quantità totale. Una volta eseguiti i calcoli, la somma delle percentuali deve essere pari al 100 %.

In un diagramma ternario detto A un vertice che rappresenta il 100 % di A, nel lato opposto a questo vertice la percentuale di A vale zero. Analogamente i componenti B e C sono al 100 % ai rispettivi vertici e allo 0% sul lato opposto. Nel diagramma ternario le linee orizzontali rappresentano varie percentuali di A e possono essere di qualsiasi lunghezza poiché corrono parallele alla linea di base e rimangono alla stessa distanza dalla parte inferiore e superiore del triangolo.

Le linee vengono proiettate a destra della linea della freccia rossa, proprio fino a dove si trova il lato immaginario del triangolo, e le loro abbondanze percentuali sono scritte lungo il lato destro del triangolo. In questo modo, il lato destro del triangolo diventa la scala per l’abbondanza percentuale di A.

Regola delle fasi

Una fase può essere descritta come una parte o porzione chimicamente omogenea e fisicamente discreta di un sistema che è separata da altre parti o porzioni di un sistema da confini. Tutte le parti di un sistema possono essere definite come componenti. Per definire un particolare sistema o stato di ogni fase in un sistema, è necessario conoscere un numero fisso di variabili.

La regola delle fasi è stata formulata da J.W Gibbs nel 1874 e si applica allo studio di equilibri per:

– raggruppare in classi i diversi casi di sistemi in equilibrio;

– stabilire le condizioni generali sotto le quali un sistema può essere in equilibrio;

– capire le relazioni che esistono fra sistemi di tipo diverso

Lo stato di equilibrio di un sistema è definito per mezzo di un certo numero di variabili o parametri di stato, che sono la temperatura T, la pressione p, le concentrazioni C delle singole specie chimiche componenti il sistema.

Con riferimento a una molecola nella fase gassosa che può muoversi, ruotare o vibrare nello spazio con il termine grado di libertà, introdotto dal matematico tedesco Carl Friedrich Gauss nelle sue opere all’inizio del 1821, si indica il numero di modi con cui la molecola può muoversi nello spazio.

Ad esempio per un gas monoatomico, i gradi di libertà sono pari a 3 e dovuti tutti al moto traslazionale infatti le molecole di gas monoatomici come argon e elio possono muoversi linearmente in qualsiasi direzione nello spazio quindi possono avere tre moti indipendenti lungo l’asse delle coordinate x, y e z, e quindi hanno 3 gradi di libertà.

In un sistema costituito da N particelle, se le particelle possiedono k relazioni indipendenti tra loro, allora il grado di libertà del sistema è dato da f = 3N – k. Quando un sistema eterogeneo è in equilibrio a una temperatura e pressione definite, il numero di gradi di libertà è uguale a 2 dato della differenza tra il numero di componenti e il numero di fasi.

I diagrammi di fase possono essere definiti come rappresentazioni grafiche costituiti da curve, linee e punti che vengono utilizzati per mostrare diverse condizioni come temperatura e pressione a cui si verificano fasi termodinamicamente distinte, o si trasformano da una fase all’altra o coesistono all’equilibrio. Al fine di individuare la composizione di un tale sistema il diagramma ternario fornisce dati accurati e precisi.

Interpretazione di un diagramma ternario

In figura è mostrato un diagramma ternario in cui i tre segmenti AB, BC, CA che uniscono i vertici rappresentano la combinazione di A, B e C. Poiché la somma A + B + C = 100%, le tre linee devono intersecarsi in un singolo punto.

Casi particolari si verificano quando manca un componente come, ad esempio A = 0%, B = 20%, C = 80%. In tal caso la composizione giace su un punto a lato in cui quel componente è 0%. L’altro caso si verifica quando c’è un singolo componente ad esempio B= 100%, e in questo caso la composizione corrisponde al vertice di quel componente, in questo caso B. In tutte le altre situazioni, le linee devono intersecarsi in un singolo punto all’interno del diagramma.

Nel diagramma ternario sono indicati quattro punti. Secondo quanto indicato ad essi corrispondono le seguenti percentuali dei tre componenti:

Tuttavia, nell’uso comune, un diagramma ternario di solito non presenta la dicitura Scala A, Scala B e Scala C ed inoltre, anche i numeri percentuali sono assenti.

Estrazione liquido-liquido

L’estrazione liquido-liquido è, insieme alla distillazione, l’operazione di base più importante nella separazione di miscele liquide omogenee. Essa consiste nel separare una o più sostanze disciolte in un solvente trasferendole in un altro solvente insolubile o parzialmente insolubile nel primo.

Il trasferimento di materia si ottiene tramite contatto diretto tra le due fasi liquide. Una delle fasi viene dispersa nell’altra per aumentare la superficie interfacciale e aumentare il flusso di materia trasferita

I dati di equilibrio che devono essere gestiti saranno almeno quelli corrispondenti a un sistema ternario ovvero due solventi e un soluto, con due dei componenti immiscibili o parzialmente immiscibili tra loro. Uno dei modi più comuni per raccogliere dati di equilibrio nei sistemi ternari è rappresentato dal diagramma ternario.

I vertici del triangolo rappresentano composti puri, un punto su un lato corrisponde a una miscela binaria e un punto all’interno del triangolo rappresenta una miscela ternaria. Per l’estrazione liquido-liquido, i due solventi coinvolti sono immiscibili o parzialmente immiscibili tra loro ovvero mescolandoli nelle giuste proporzioni si possono formare due fasi. Inoltre, la presenza di un soluto modifica la solubilità di un solvente in un altro.

Per rappresentare questo comportamento, e poter sapere se una data miscela corrisponde a una o due fasi, il diagramma ternario liquido-liquido ha la cosiddetta curva di solubilità binodale o curva di coesistenza che definisce le temperature e le composizioni a cui la separazione di fase è termodinamicamente favorevole. Una miscela rappresentata da un punto situato sopra la curva binodale è costituita da una singola fase. Al contrario, due fasi corrispondono a una miscela situata sotto la curva binodale.

Le due fasi di equilibrio sono collegate da una linea di distribuzione che passa attraverso il punto di miscelazione e le sue estremità sulla curva binodale indicano la concentrazione delle due fasi in equilibrio. Il primo passaggio di un processo di estrazione è la miscelazione per creare un contatto intenso delle due fasi liquide che consenta il trasferimento di massa del prodotto dal liquore al solvente.

Il secondo passaggio è la separazione delle fasi o la decantazione delle due fasi liquide. Per il recupero del prodotto, il solvente deve essere separato dal prodotto in un terzo passaggio successivo che viene generalmente eseguito tramite distillazione.

Denominazione delle rocce da un diagramma ternario

Le rocce sedimentarie sono uno dei tre tipi principali di rocce, insieme a quelle ignee e metamorfiche che includono arenaria, calcare e scisto. Nel diagramma ternario questi componenti sono messi ai tre vertici. Si pone, ad esempio, l’arenaria in alto, lo scisto in basso a sinistra e il calcare in basso a destra.

I campioni indicati con i numeri 9, 10 e 11 sono ai vertici del triangolo e quindi ognuno di questi è un membro finale puro. Tuttavia, qualsiasi punto che si trova su una delle linee laterali del diagramma ternario o all’interno del triangolo rappresenta una roccia composta da membri finali misti.

Dall’analisi del diagramma ternario si può vedere che il campione 12 è costituito dal 60 % di arenaria, dal 10 % di scisto e dal 30 % di calcare pertanto tale tipo di roccia è costituita da granuli di sabbia a prevalente composizione non carbonatica  di dimensioni comprese tra 0.0625 e 2 millimetri e, prevalendo l’arenaria il campione 12 appartiene a una roccia di tipo sedimentario.

Il campione 13 è costituito dal 30 % di arenaria, dal 60 % di scisto e dal 10 %  di calcare. Lo scisto ha grana da media a medio-grossolana, caratterizzata da una disposizione regolare, in piani grossolanamente paralleli, dei componenti minerali lamellari o fibrosi che conferisce alla roccia una più o meno facile divisibilità secondo tali piani, detti perciò piani di scistosità. Prevalendo lo scisto il campione 13 appartiene a una roccia di tipo metamorfica.

Dall’analisi del diagramma ternario il campione 14 è costituito dal 10 % di arenaria, dal 10 % di scisto e dall’ 80 %  di calcare. Il calcare, sotto forma di calcite e, in misura minore, da aragonite. Il calcare si forma attraverso l’accumulo e la compattazione di organismi marini, principalmente resti di molluschi e crostacei corallo, nel corso di milioni di anni.

Il calcare è costituito principalmente da carbonato di calcio, ma può anche contenere quantità variabili di impurità come argilla, limo e materiale organico. La presenza di impurità può influenzarne il colore e la consistenza. Poiché nel campione 14 prevale il calcare esso appartiene a un tipo di roccia sedimentaria che si forma attraverso un processo complesso che comporta l’accumulo e la compattazione di materiali ricchi di carbonato di calcio nel corso di milioni di anni.

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