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DIAGRAMMA DI STATO DI DUE COMPNENTI GASSOSI PARZIALMENTE MISCIBILI ALLO STATO LIQUIDO

 

 

Consideriamo una miscela di due componenti gassosi, 1 e 2 che si trova ad una temperatura sufficientemente elevata Ta (punto A della figura sottostante). Ciascun componente possiede una frazione molare, e la somma delle due frazioni molari è ovviamente1. Supponiamo che la frazione molare del componente 1 sia più grande di quella del componente 2 (punto A della figura, in corrispondenza del quale la frazione molare del componente 1 ha il valore Xa ). La varianza del sistema è 2 ( v = numero di componenti [2] – numero delle fasi [1] + 1 = 2, ovvero nella condizione fisica relativa al punto A del grafico possiamo variare la pressione e/o la temperatura senza provocare il cambiamento del numero di fasi nel sistema ) La situazione fisica è illustrata dallo stato 1 (i pallini rossi rappresentano le molecole della miscela dei gas 1 e 2). Ora supponiamo di diminuire la temperatura della miscela gassosa, mantenendo costante la pressione sul sistema ( i pesetti sullo stantuffo non cambiano durante il raffreddamento). Ovviamente diminuisce il volume della miscela.

 

 

 

 

Non si presenta alcun cambiamento nel numero di fasi e di composizione della miscela fin quando la temperatura non si abbassa al valore Tb, in corrispondenza del quale, nel punto B, si tocca la curva verde i cui punti rappresentano stati di equilibrio fra la miscela gassosa e la fase liquida, costituita da una soluzione del componente 2, soluto, nel componente 1, solvente. La curva verde definisce, ad ogni temperatura, la composizione della miscela gassosa in equilibrio con la fase liquida (soluzione). Nel punto B perciò compare una piccola quantità di fase liquida, la cui composizione viene ricavata mandando la parallela all’asse delle ascisse dal punto B fino ad incontrare la curva nera, che definisce ad ogni temperatura la composizione della fase liquida (soluzione) in equilibrio col gas (miscela gassosa). Dal punto di incontro si manda quindi la perpendicolare all’asse delle ascisse. L’incontro di questa con l’asse delle ascisse dà il valore della frazione molare del componente 1 (solvente), Xb nella figura ( e quindi, da 1 – Xb, si ricava la frazione molare del componente  2 , soluto, nella soluzione). La composizione della miscela gassosa nel punto B è ancora uguale al valore iniziale nel punto A (Xa. Il sistema nel punto B diventa perciò monovariante per la comparsa della fase liquida (infatti v = 2 componenti – 2 fasi + 1[solo la variabile temperatura] = 1).

Nello stato 2 è rappresentata fisicamente la situazione che si presenta in corrispondenza del punto B: nel cilindro la miscela gassosa di composizione Xa è in compresenza della soluzione liquida (indicata da un sottile strato liquido di colore blu) di composizione Xb (vi ricordo che Xa e Xb sono le frazioni molari nel gas e nel liquido del componente 1. Le corrispondenti frazioni molari del componente  2 si ricavano per complemento ad 1).

Continuando il raffreddamento del sistema, la composizione della fase gassosa varia secondo la curva verde, mentre la corrispondente composizione della soluzione in equilibrio con il gas varia secondo la curva nera. Ad esempio, raffreddando il sistema fino alla temperatura TC, la composizione della miscela gassosa è Xc, relativa al punto C della curva verde, mentre la composizione della soluzione in equilibrio con la miscela gassosa è Xc.

Per ulteriore raffreddamento, al valore Td della temperatura la composizione della miscela gassosa assume il valore Xd e, corrispondentemente, compaiono due soluzioni immiscibili tra loro aventi composizione rispettivamente Xe1 e          Xe2 corrispondenti ai punti E1 ed E2 del grafico. La soluzione di composizione Xe1 ha come sovente il componente 1 e come soluto il componente 2, mentre la soluzione di composizione Xe2 ha come solvente il componente 2, mentre ha come soluto il componente 1. L’una è immiscibilei nell’altra, perciò alla temperatura Td il sistema diventa trifasico (miscela gassosa, soluzione E1, soluzione E2) (vedi stato 4). La varianza del sistema in queste condizioni è perciò: v = 2 componenti – 3 fasi + 1[solo la variabile temperatura] = 0).

Raffreddando ulteriormente il sistema al di sotto della temperatura Td, ad esempio alla temperatura Tf, il sistema ridiventa monovariante, essendo scomparsa la fase gassosa e rimanendo due fasi (le due soluzioni immiscibili), le cui composizioni sono ricavate rispettivamente dai due punti G e L di intersezione della parallela all’asse delle ascisse condotta alla temperatura Td, con le curve di equilibrio fra le due soluzioni. Da tali punti, inviando la perpendicolare all’asse delle ascisse, si ricavano le composizioni delle due soluzioni (che, come si vede sono funzioni della temperatura del sistema, poiché variano al variare di questa). Esse sono rispettivamente Xf  e Xf.

Se partissimo da una miscela gassosa di composizione Xd, corrispondente al punto D del diagramma di stato, per raffreddamento si otterrebbe alla temperatura Td direttamente un sistema trifasico a varianza 0, con la miscela gassosa a composizione Xd e le due soluzioni immiscibili a composizione rispettivamente Xe1 e     Xe2. Per ulteriore raffreddamento, come già visto, le soluzioni immiscibili varierebbero le loro composizioni rispettivamente secondo le curve nere di destra e di sinistra in basso nel diagramma.

Infine, se la miscela gassosa presenta una composizione più ricca nel componente 2, vedi ad esempio il punto I della figura, per raffreddamento il sistema, arrivato al punto B’ seguirà le curve viola e nera che indicano rispettivamente la composizione della miscela gassosa e della soluzione di   1, soluto, in 2, solvente alle varie temperature. Al diminuire della temperatura, il sistema si comporta in modo analogo a quello visto in precedenza ( miscela di composizione Xa al punto A). Se la temperatura diminuisce fino al punto D, si formano sempre due soluzioni E1 e E2, di composizione Xe1 e Xe2, in equilibrio con la miscela gassosa di composizione Xd, relativa al punto D (varianza 0). Un ulteriore diminuzione di temperatura, ad es. al valore Tf, originerebbe le stesse soluzioni già descritte nel caso della miscela gassosa più ricca nel componente 1.

 

 

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