Diagrammi di fase: Tipi ed esempi

Introduzione ai diagrammi di fase

In chimica e nella scienza dei materiali, pochi strumenti sono potenti e informativi come il diagramma di fase. Esso fornisce una mappa visiva del comportamento di una sostanza in diverse combinazioni di temperatura e pressione. Che si tratti di analizzare come l'acqua si trasforma in vapore, come l'acciaio si indurisce o come il silicio si scioglie durante la fabbricazione dei semiconduttori, i diagrammi di fase rivelano la fisica sottostante che guida queste trasformazioni.

Mappando i confini tra le fasi solide, liquide e gassose, scienziati e ingegneri possono prevedere la risposta del materiale al riscaldamento, al raffreddamento o alla compressione. Nelle industrie metallurgiche e di trasformazione chimica, i diagrammi di fase sono fondamentali per progettare materiali stabili e percorsi di produzione efficienti.

Tipi di diagrammi di fase

Non tutti i diagrammi di fase sono uguali: ognuno ha uno scopo diverso a seconda della complessità del sistema.

-I diagrammi unitari (monocomponente) mostrano la pressione, la temperatura e la relazione di fase per un materiale puro. L'esempio più comune è il diagramma di fase dell'acqua, che rappresenta le regioni del solido (ghiaccio), del liquido (acqua) e del vapore.

-I diagrammi di fase binari rappresentano sistemi a due componenti, come rame-nichel o ferro-carbonio. Sono particolarmente importanti in metallurgia, dove la composizione di una lega ha implicazioni dirette su durezza, resistenza e comportamento alla fusione.

-I diagrammi di fase ternari, cioè a tre componenti, sono utilizzati in materiali più complessi come ceramiche, vetri o leghe multifase. I diagrammi di fase ternari aiutano gli scienziati a capire come i vari rapporti tra i componenti influenzino la stabilità e la distribuzione delle fasi.

Si può prevedere quale fase o quali fasi esisteranno in un determinato insieme di condizioni - essenziale per la ricerca e le applicazioni industriali.

Gli stati della materia

Per comprendere i diagrammi di fase, è necessario tornare agli statifondamentali della materia - solido, liquido e gas - e al modo in cui reagiscono alle variazioni di temperatura e pressione.

- Solido: le molecole sono tenute strettamente insieme e oscillano in posizione. I solidi hanno forma e volume definiti, sono densi e hanno una bassa entropia. Per esempio, il ghiaccio è solido a 0 °C e 1 atm grazie ai legami idrogeno che mantengono le molecole d'acqua in una struttura fissa.

- Liquido: Le molecole possono muoversi più liberamente, consentendo ai liquidi di fluire ma senza cambiare volume. Un buon esempio è l'acqua a 25 °C e 1 atm: occupa la forma del contenitore ma è incomprimibile.

- Gas: Le molecole sono distanti tra loro e si muovono rapidamente. I gas non hanno né una forma né un volume definiti e sono altamente comprimibili. A 100 °C e a 1 atm il vapore acqueo presenta questa condizione, con elevata entropia e mobilità molecolare.

Caratteristiche principali dei diagrammi di fase

In ogni diagramma di fase sono presenti diversi elementi caratteristici che consentono di leggere il comportamento dei materiali.

-Punto triplo: L'insieme unico di condizioni in cui gli stati solido, liquido e gassoso coesistono in equilibrio. Per l'acqua, si tratta di 0,01 °C e 0,006 atm, una condizione che permette a tutti e tre gli stati di coesistere contemporaneamente.

- Temperatura e pressione del liquido al di sopra della quale le fasi liquida e gassosa cessano di essere separate e, invece, esistono come un fluido supercritico. Per l'acqua, ciò avviene a 374 °C e 218 atm. I fluidi supercritici possiedono alcune proprietà dei liquidi e dei gas e sono utilizzati in processi di estrazione e purificazione avanzati.

- Confini di fase: Curve o linee che delimitano le fasi. L'attraversamento di una linea o di una curva porta a un cambiamento di fase: fusione, ebollizione o sublimazione.

Insieme, queste caratteristiche forniscono agli scienziati un quadro completo della stabilità e del cambiamento dei materiali in seguito al cambiamento delle condizioni ambientali.

Importanza dei diagrammi di fase

I diagrammi di fase sono utilizzati in tutti i settori scientifici e industriali.

-Scienza dei materiali e metallurgia: Nella produzione dell'acciaio, il diagramma di fase ferro-carboniodetermina gli effetti del trattamento termico e della composizione sulla durezza e sulla duttilità. Ad esempio, l'aggiunta dello 0,8% di carbonio e la tempra trasformano l'acciaio in martensite, una fase dura ma fragile. È possibile ottenere microstrutture più morbide e duttili, come la ferrite e la perlite, variando le velocità di raffreddamento.

- Ingegneria chimica: I diagrammi di fase determinano l'efficacia della separazione nella distillazione. Ad esempio, il diagramma di fase binario di etanolo-acqua indica la composizione azeotropica (95,6% di etanolo), oltre la quale la normale distillazione non può eliminare ulteriori impurità dalla miscela.

- Elettronica e semiconduttori: I diagrammi di fase del silicio e del germanio, ad esempio, sono utilizzati per determinare i punti di fusione e le caratteristiche di solidificazione, essenziali per la crescita dei cristalli e la fabbricazione dei wafer.

-Applicazioni ambientali e meteorologiche: Gli scienziati dell'atmosfera utilizzano i diagrammi di fase dell'acqua per prevedere la formazione delle nuvole e le precipitazioni. Le transizioni tra vapore, goccioline liquide e cristalli di ghiaccio in condizioni di pressione variabili spiegano fenomeni come la formazione di pioggia o neve superfredda.

In breve, i diagrammi di fase non sono solo strumenti teorici: guidano la progettazione, la costruzione e la previsione ambientale.

Esempi e tabella riassuntiva

Il diagramma di fase dell'acqua è particolarmente noto per le sue stranezze. Per citare un esempio, il ghiaccio fonde a temperature più basse a pressioni più elevate, una proprietà in contrasto con la maggior parte delle sostanze. Questo comportamento fa funzionare il pattinaggio su ghiaccio: la pressione sotto la lama scioglie leggermente il ghiaccio e crea una sottile pellicola lubrificante.

Per quanto riguarda i metalli, il diagramma binario rame-nichel indica la completa solubilità in tutte le composizioni, rendendo possibile la formazione di leghe con resistenza specifica e resistenza alla corrosione. Il diagramma piombo-stagno, invece, che è alla base della progettazione delle saldature, presenta un eutettico a 183 °C, il punto di fusione più basso per questa miscela, ed è quindi adatto alla saldatura di componenti elettronici.

Per ulteriori informazioni

Per informazioni dettagliate sui diagrammi di fase e sulla risposta dei materiali alle diverse condizioni termiche e di pressione, consultare Stanford Advanced Materials (SAM). I materiali tecnici sul loro sito web forniscono informazioni dettagliate su ceramiche, leghe e sistemi di vetro in un'ampia gamma di applicazioni industriali.

Domande frequenti

Cosa posso imparare da un diagramma di fase?

Un diagramma di fase mostra le fasi stabili di un materiale a diversi livelli di temperatura e pressione, consentendo di prevedere i punti di fusione, ebollizione o cristallizzazione.

Perché il punto triplo è significativo?

È la condizione in cui tutte e tre le fasi - solida, liquida e gassosa - coesistono in equilibrio, utile per la calibrazione dei termometri e lo studio delle transizioni di fase.

Cosa succede nel punto critico?

La distinzione tra liquido e gas diventa nulla, formando un fluido supercritico con eccellenti proprietà di solvenza e trasporto.

I diagrammi di fase sono applicabili alle miscele?

Sì. I diagrammi di fase per i sistemi binari e ternari descrivono il comportamento di più di una singola sostanza, che si uniscono per formare leghe, soluzioni o composti con proprietà uniche.

Perché i diagrammi di fase sono utilizzati nell'industria?

Guidano processi come la progettazione di leghe, la distillazione, la crescita dei cristalli e la sinterizzazione della ceramica, assicurando che i materiali abbiano la struttura e le prestazioni desiderate.