CORSO DI CHIMICA PER L AMBIENTE Lezione del 14 Aprile 2016
Diagrammi di Stato
Diagrammi di stato Quando si riportano in un diagramma, in funzione di parametri macroscopici quali la Pressione, la Temperatura o la Composizione, le curve che rappresentano gli equilibri tra le diverse fasi che possono essere presenti in un sistema di una sostanza si ottiene un diagramma di stato.
Diagrammi di Stato dell Acqua
Diagrammi di stato C è un solo punto in cui le tre fasi (Solido liquido vapore) possono coesistere in equilibrio ed è detto punto triplo. Ciascun punto del diagramma rappresenta uno stato del sistema, definito da una coppia di valori (P, T) nello stato di aggregazione corrispondente alla regione del diagramma in cui cade il punto stesso.
Diagrammi di stato Per la rappresentazione grafica degli stati di un sistema a due componenti si usano diagrammi a tre assi (P, T e Composizione). In tali diagrammi compariranno superfici di equilibrio tra le diverse fasi. Per visualizzare meglio il diagramma, si preferisce considerare delle sezioni del diagramma tridimensionale ricavato mantenendo costante una delle tre variabili.
Diagramma di Stato a due componenti completamente miscibili In questo caso si assume che la pressione sia costante e quindi il grafico è definito in funzione della temperatura e composizione
Diagramma di Stato a due componenti completamente miscibili Da questo grafico si desume che, in condizioni di equilibrio, il vapore che si forma ha una composizione diversa dal liquido che bolle X BL X Bs
Diagramma con Azeotropo Vi sono dei sistemi in cui si osserva che, per composizioni definite, liquido e vapore in equilibrio hanno la stessa composizione. Le miscele che godono di questa proprietà si chiamano azeotropiche
Diagramma di Stato a due componenti completamente miscibili in fase liquida ed immiscibili in fase solida Le curve delimitano il campo di esistenza della fase liquida e della fase liquida in equilibrio con quella solida mentre una retta delimita il campo di esistenza dello stato solido.
Diagramma di Stato a due componenti completamente miscibili in fase liquida ed parzialmente immiscibili in fase solida Il diagramma è simile al precedente. L unica differenza è la separazione per alcune composizioni dei componenti solidi puri.
Diagramma di stato Fe - C
Il Ferro Il ferro puro (che in natura non esiste), allo stato solido presenta tre forme allotropiche: - ferro α: stabile fino a 912 C. - ferro γ: stabile tra 912 C e 1394 C. - ferro δ: stabile tra 1394 C e 1536 C. Al di sopra di questa T il ferro fonde.
Il Ferro Queste tre forme allotropiche del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con il carbonio, oltre che combinarsi con questo per formare la cementite (Fe 3 C). La cementite è in realtà un composto metastabile, mostrando la tendenza a decomporsi secondo la reazione Fe 3 C 3Fe + C
Nel diagramma le fasi presenti sono quindi le seguenti: Fase α: Ferrite. E la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo del ferro α produce delle notevoli distorsioni, per questo la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata e può raggiungere un valore massimo dello 0,02% (a 727 C).
Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ. La struttura cristallina del ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo di stabilità dell'austenite decisamente più ampio Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ. Valgono per questa fase considerazioni analoghe a quelle fatte sulla ferrite α.
Processi dell Altoforno In genere l acciaio si produce in una torre, alta quasi 40 metri, con pareti refrattarie detta altoforno in cui vengono inseriti tre tipi di materiali: 1 - minerali di ferro: ematite (Fe 2 O 3 ), magnetite (Fe 3 O 4 ), siderite (FeCO 3 ) e pirite (FeS 2 ) 2 - carbon coke 3 - calcare (CaCO 3 )
Processi dell Altoforno Aria preriscaldata a 1000 C viene insufflata dentro la torre permettendo la combustione del carbon coke. In questo modo la temperatura si innalza sempre più man mano che si scende di quota Nel processo avviene la liberazione di ossido di carbonio (in seguito a basse temperature l'ossido di carbonio muta in anidride carbonica) e contemporaneamente parte del restante carbonio del coke va a mescolarsi con il ferro, formando la ghisa. Compito del calcare è combinarsi con le impurità (S, P, Si) presenti nei minerali di ferro per formare dei composti non miscibili con la ghisa fusa chiamati ganga o scorie.
Processi dell Altoforno Dall altoforno esce una lega interstiziale Fe/C detta ghisa. La ghisa contiene quantità considerevoli di carbonio: dal 2,5 al 5%. I vari tipi di acciaio si ottengono con trattamenti successivi della ghisa mirati ad ottenere sistemi con proprietà definite. Se il contenuto in C è inferiore allo 0,35% si parla di ferro dolce, tra 0,35 e 1,7% si è in presenza di acciaio, sopra l 1,7% si è in presenza di ghisa.
Ghisa ed Acciaio Per abbassare il contenuto di C nella ghisa uscita dall altofrono si utilizzano principalmente due tecniche: 1 - Diluizione con rottami di acciaio puro 2 - Fusione con sostanze ferrose ricce di ossigeno che reagisce con il carbonio formando CO 2. Le ghise avendo più C sono molto più dure e fragili dell acciaio che è un materiale duttile e si presta ad essere lavorato a freddo. Le ghise non si lavorano ma si producono a pezzi per fusione.
L Acciaio Acciai al carbonio: costituiscono oltre il 90% di tutti gli acciai e contengono una quantità variabile, generalmente inferiore all'1,5%, di carbonio, un massimo di 1,65% di manganese, lo 0,60% di silicio e lo 0,60% di rame. Secondo il tenore di carbonio, si dividono in acciai extradolci (meno dello 0,15%), dolci (da 0,15% a 0,25%), semiduri (da 0,25% a 0,50%), duri (oltre lo 0,50%). Gli acciai extradolci e dolci sono comunemente indicati come ferro. Parti di macchine, scocche di autoveicoli, la maggior parte delle strutture di acciaio degli edifici, scafi delle navi, chiodi, viti e bulloni sono solo alcuni dei prodotti realizzati con acciai al carbonio.
L Acciaio Acciai legati: sono caratterizzati dalla presenza di quantità variabili di uno o più elementi quali vanadio, molibdeno, manganese, silicio, rame in percentuali superiori a quelle contenute negli acciai al carbonio. Gli acciai legati vengono usati nella produzione di molti componenti meccanici: bielle, alberi, perni, sterzi, assali dei veicoli, ecc.
Acciai inossidabili: contengono cromo (in quantità variabile tra il 12% e il 30%), nichel (fino al 35%) e altri elementi leganti, che li rendono brillanti e li proteggono dall'attacco degli agenti atmosferici e di gas e acidi corrosivi. Presentano una resistenza meccanica non comune, che possono mantenere anche per lunghi periodi a temperature estremamente alte o basse. La brillantezza della loro superficie li rende utilizzabili anche per scopi puramente decorativi. Trovano impiego nella realizzazione di tubature e serbatoi di raffinerie petrolifere e impianti chimici, di aerei a reazione e capsule spaziali, di apparecchiature e strumenti chirurgici, di protesi dentarie e chirurgiche. Molto diffuso l'impiego nella produzione di pentolame, posate e utensili da cucina.
Le Ghise In base alla distribuzione del Carbonio nella loro struttura, si possono classificare quattro tipi diversi di ghisa: ghisa bianca, grigia, malleabile e sferoidale. Poiché la differenza tra i vari tipi non risiede nella quantità di C contenuto ma in differenze strutturali, non si classificano le ghise in base al contenuto di Carbonio.
Ghisa Bianca Questi tipo di ghisa deve il suo nome al caratteristico colore chiaro che mostra in caso di rottura: la superficie si presenta biancastra o cristallina lucente. La ghisa bianca contiene il C sostanzialmente sotto forma di cementite (carburo di ferro) piuttosto che come C libero o grafitico. Si ottengono per rapido raffreddamento di leghe all 1,8-3,6% di C. Hanno alta resistenza all usura ed all abrasione ma elevata fragilità. Il principale uso è come materia prima per ottenere ghise malleabili anche se può essere impiegata per ruote di carrelli o cilindri per la laminazione.
Ghisa Grigia La ghisa grigia si produce da leghe ad alto contenuto di C (2,5-4,0%) per cui una parte si separa formando lamelle di grafite. La presenza di queste lamelle genera il colore grigiastro delle fratture. Si ottengono per lento raffreddamento che favorisce la formazione delle lamelle. Questo processo può essere migliorato con aggiunta di Si (1-3%). Hanno un basto costo, una discreta lavorabilità pur in presenza di resistenza all usura anche con bassa lubrificazione e buona capacità di smorzamento delle vibrazioni. La presenza della grafite ne impedisce la saldatura
Ghisa Sferoidale Questo tipo di ghisa (3-4% in C) è caratterizzata dalla presenza di grafite non in lamelle ma in granuli (o sferoidi che danno il nome alla ghisa). La formazione di noduli che avviene durante la solidificazione della ghisa, è favorita da un bassissimo tenore di S e O. Per tenere basse queste concentrazioni si legano questi elementi a Mg che viene aggiunto alla ghisa fusa. Le ghise sferoidali hanno proprietà meccaniche abbastanza simili a quelle dell acciaio senza perdere troppo in termini di durezza e resistenza all usura.
Ghisa Malleabile La ghisa malleabile che ha un basso tenore di C (2,0-2,6%) si ottiene per trattamento successivo della ghisa bianca. Il processo prevede il riscaldamento della ghisa bianca a temperature tali da convertire il carburo di ferro presente in Fe e grafite in noduli detti di ricottura. Sono materiali importanti per costruzioni meccaniche in quanto possiedono lavorabilità, media resistenza meccanica resistenza alla corrosione.