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 un diagramma di fase che descrive, 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,
- 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 del diagramma
Come si nota dal grafico relativo a componenti immiscibili allo stato solido e completamente miscibili allo stato liquido i punti TmA e TmB 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 TE 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 TE.
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 TE sono presenti due fasi: fase liquida e cristalli di A.
Alla temperatura TE 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 TE 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 TE → liquido + cristalli di A
TE → liquido + A + B
T < TE → A + B solidi
