Relazione laboratorio (diagrammi di fase), Chimica fisica

Leonardo Calabresi RELAZIONE DIAGRAMMI DI FASE 20/02/2013

RELAZIONE ESPERIENZA DI LABORATORIO

DIAGRAMMI DI FASE Pb-Sn DA CURVE DI RAFFREDDAMENTO

CORSO: Laboratorio di Chimica fisica 1 CCL: Chimica

DOCENTE: Prof. ssa Anita Scipioni ESPERIENZA: n°6

SCOPO DELL’ ESPERIENZA: Costruire il diagramma di fase binario Pb-Sn attraverso

l’acquisizione di temperature dalle curve di raffreddamento in aria di 12 leghe a composizione

diversa.

MATERIALI E STRUMENTAZIONE:

Forno a pozzo con termostato (450 °C);

Crogioli per leghe;

Supporto per crogioli;

Computer con interfaccia per acquisizione dati;

Termoresistenze;

Leghe Pb-Sn a diversa composizione.

PRINCIPIO DEL METODO:

Le leghe Pb-Sn sono sistemi costituiti da due componenti, questo fa si che per rappresentare un

diagramma di fase di tali leghe occorrono quattro variabili: T,P, xa, xb; questo richiederebbe un

diagramma estremamente complesso da elaborare.

Dato che le composizioni xa e xb sono complementari tra loro (xa +xb =1) è possibile rappresentare

sul grafico solo una delle composizioni; questo ci permette di elaborare un grafico in tre dimensioni,

più accessibile a fini pratici. 1

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Nel diagramma sovrastante è possibile determinare sei campi di esistenza dove coesistono fasi

differenti:

Fase liquida L: piombo e stagno sono liquidi e completamente miscibili tra loro.

 Soluzione solida α: è una soluzione solida di Sn in piombo

 Soluzione solida β: è una soluzione solida di Pb in stagno

 Coesistenza fase α con fase liquida (L)

 Coesistenza fase β con fase liquida (L)

 Coesistenza fase α con fase β.



Come si può vedere dal diagramma precedente, durante il raffreddamento di un’ ipotetica lega al

22% in peso di stagno,inizialmente in fase liquida, è possibile osservare dei fenomeni che si

discostano da quelli di sostanze pure. Infatti se osserviamo lungo la linea che indica tale

composizione si incontra l’inizio della solidificazione del Pb nella zona che separa il liquido (L) e la

fase (α+L); ciò comporta un arricchimento in stagno della fase liquida e un arricchimento in piombo

della fase solida che proseguono al diminuire della temperatura fino a raggiungere la riga della

temperatura del punto eutettico (183 °C) che indica la minima temperatura alla quale possono

coesistere le fasi solide (α e β) in presenza di liquido. Quando una soluzione si trova sul punto

eutettico essa si comporta come una sostanza pura in quanto, da questo punto in poi, la

composizione rimane costante e quindi solidifica a temperatura costante.

Naturalmente il punto eutettico viene raggiunto anche da leghe che hanno composizioni in Sn

superiori di quelle eutettiche (61.9% w Sn), solo che in questo caso durante il raffreddamento il

liquido si arricchisce in Pb e la parte solida in Sn.

Una lega avente una composizione che cada esattamente entro il punto eutettico si comporta come

una sostanza pura.

Durante il raffreddamento di una sostanza fusa prettamente pura, come è noto, all’inizio della

solidificazione del componente, la temperatura rimane costante finché la solidificazione non è

avvenuta del tutto; questo non è più vero (tranne che nel punto eutettico) se trattiamo invece che

delle sostanze pure delle soluzioni (leghe ad esempio). Infatti in questi casi le curve di

raffreddamento non hanno più un andamento costante durante la solidificazione di uno dei

componenti; questo perche durante la cristallizzazione la temperatura risente del cambio di

composizione (arricchimento) che prosegue al decrescere della temperatura fino al punto eutettico.

ELABORAZIONE DATI:

Come è evidente dalla trattazione teorica sopra effettuata, per costruire un diagramma di fase di

questo tipo occorre esaminare le curve di raffreddamento di leghe di diversa composizione, per

determinare a quali temperature avvengono le transizioni di fase.

Si hanno a disposizione 12 leghe Pb-Sn a composizione diversa disposti in crogioli pronti per la

fusione e il raffreddamento all’aria; sei di queste leghe hanno una percentuale in stagno minore del

punto eutettico e sei maggiore.

Si utilizzano le curve di raffreddamento invece che quelle di riscaldamento (o fusione) perche il

processo risulta più lento ed equilibrato mettendo in evidenza meglio le varie transizioni.

I grafici in basso mostrano l’andamento della temperatura durante tutta l’esperienza; sono stati

riportati a titolo dimostrativo soltanto gli andamenti di 2 leghe: una con composizione in stagno

minore dell’eutettico e una maggiore (composizione punto eutettico: 61.9% w Sn).

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Per evidenziare al meglio i cambi di pendenza delle curve durante il raffreddamento è preferibile

effettuare la derivata di tali diagrammi e riportarla sul grafico stesso. (linee rosse dei grafici

successivi). Tracciando delle linee passanti per i punti medi dei picchi delle derivate è possibile

ottenere le temperature delle transizioni di fase che ci interessano:

In tabella sono state riportate le varie temperature rilevate attraverso l’utilizzo dei grafici, come

visto precedentemente, per tutte e 12 le composizioni:

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