11.13: Diagrammi di fase

Un diagramma di fase combina grafici di pressione in funzione della temperatura per gli equilibri di transizione di fase liquido-gas, solido-liquido e solido-gas di una sostanza. Questi diagrammi indicano gli stati fisici che esistono in condizioni specifiche di pressione e temperatura e forniscono anche la dipendenza dalla pressione delle temperature di transizione di fase (punti di fusione, punti di sublimazione, punti di ebollizione). Regioni o aree etichettate come solido, liquido e gas rappresentano singole fasi, mentre le linee o le curve rappresentano due fasi che coesistono in equilibrio (o punti di cambiamento di fase). Il punto triplo indica le condizioni di pressione e temperatura alle quali coesistono tutte e tre le fasi. Al contrario, un punto critico indica la temperatura e la pressione al di sopra delle quali esiste una singola fase, le cui propriet fisiche sono intermedie tra lo stato gassoso e quello liquido.

Figura 1. Un tipico diagramma di fase.

Un diagramma di fase identifica lo stato fisico di una sostanza in condizioni specificate di pressione e temperatura. Per illustrare l'utilit di questi grafici, si consideri il diagramma di fase dell'acqua, mostrato di seguito.

Figura 2. Diagramma di fase dell'acqua.

Una pressione di 50 kPa e una temperatura di −10 °C corrispondono alla regione del diagramma denominata “ghiaccio?. In queste condizioni l’acqua esiste solo come solido. Una pressione di 50 kPa e una temperatura di 50 °C corrispondono alla regione in cui l'acqua esiste solo allo stato liquido. A 25 kPa e 200 °C l'acqua esiste solo allo stato gassoso. La curva BC la curva liquido-vapore che separa la regione liquida e gassosa del diagramma di fase e fornisce il punto di ebollizione dell'acqua a qualsiasi pressione. Ad esempio, a 1 atm, il punto di ebollizione 100 °C. Si noti che la curva liquido-vapore termina ad una temperatura di 374 °C e una pressione di 218 atm, indicando che l'acqua non pu esistere come liquido al di sopra di questa temperatura, indipendentemente dalla pressione. Le propriet fisiche dell'acqua in queste condizioni sono intermedie tra quelle della sua fase liquida e gassosa. Questo stato unico della materia chiamato fluido supercritico. La curva del vapore solido etichettata AB, indica le temperature e le pressioni alle quali il ghiaccio e il vapore acqueo sono in equilibrio. Queste coppie di dati temperatura-pressione corrispondono ai punti di sublimazione, o deposizione, dell'acqua.

La curva solido-liquido denominata BD mostra le temperature e le pressioni alle quali il ghiaccio e l'acqua liquida sono in equilibrio, rappresentando i punti di fusione/congelamento dell'acqua. Si noti che questa curva presenta una leggera pendenza negativa, indicando che il punto di fusione dell'acqua diminuisce leggermente all'aumentare della pressione. L'acqua una sostanza insolita in questo senso, poich la maggior parte delle sostanze presenta un aumento del punto di fusione con l'aumento della pressione. Il punto di intersezione di tutte e tre le curve, etichettato B, il punto triplo dell'acqua, dove tutte e tre le fasi coesistono in equilibrio. A pressioni inferiori al punto triplo, l'acqua non pu esistere come liquido, indipendentemente dalla temperatura.

Consideriamo il diagramma di fase dell'anidride carbonica come un altro esempio.

Figura 3. Diagramma di fase dell'anidride carbonica.

La curva solido-liquido mostra una pendenza positiva, indicando che il punto di fusione della CO_2 aumenta con la pressione come avviene per la maggior parte delle sostanze. Si noti che il punto triplo ben al di sopra di 1 atm, indicando che l'anidride carbonica non pu esistere come liquido in condizioni di pressione ambiente. Raffreddando invece l’anidride carbonica gassosa a 1 atm si ottiene la sua deposizione allo stato solido. Allo stesso modo, l’anidride carbonica solida non si scioglie alla pressione di 1 atm ma sublima invece producendo CO_2 gassosa. Infine, il punto critico per l’anidride carbonica viene osservato a temperatura e pressione relativamente modeste rispetto all’acqua.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 10.4: Phase Diagrams

L'anidride carbonica può esistere come solido, liquido o gas a temperature e pressioni specifiche. Questa dipendenza è mappata in un diagramma di fase, che include tre caratteristiche generali:regioni, linee e punti. Le regioni rappresentano le condizioni di temperatura e pressione per una singola fase.

A pressione standard, l'anidride carbonica può essere solida o gassosa, a seconda della temperatura. A pressioni inferiori a 5, 1 atm, se la temperatura dell'anidride carbonica solida viene innalzata, passerà direttamente alla fase gassosa senza passare attraverso la forma liquida. Una transizione attraverso tutte e tre le fasi da solido a liquido e da liquido a gas avverrà a pressioni superiori a 5, 1 atm.

Le linee o le curve che separano le regioni denotano le temperature e le pressioni alle quali le fasi, su entrambi i lati della curva, sono in equilibrio. Per esempio, il punto a 1 atm e 78, 5°C si trova sulla curva che separa le fasi solida e vapore, quindi in tali condizioni esiste un equilibrio solido-vapore. Di conseguenza, questa viene definita curva di sublimazione.

Allo stesso modo, l'equilibrio liquido-vapore esiste sulla curva di vaporizzazione, e l'equilibrio solido-liquido esiste sulla curva di fusione. Queste curve sono dette più generalmente confini di fase. A 5, 1 atm e 56, 6°C tutte e tre le fasi coesisteranno.

Questo è il triplo punto dell'anidride carbonica. A 73 atm e 31°C, sia la fase liquida che quella gassosa dell'anidride carbonica si uniranno in un fluido supercritico monofase. Questo è il punto critico dell'anidride carbonica.

Nella regione oltre il punto critico nessuna variazione di pressione o temperatura può convertire un fluido supercritico in un gas o in un liquido. Il diagramma di fase dell'acqua presenta alcune notevoli differenze da quello dell'anidride carbonica. La curva di fusione dell'anidride carbonica ha una pendenza positiva, mentre per l'acqua la pendenza è negativa.

Questa è una caratteristica atipica dell'acqua. L'aumento della pressione favorisce una transizione da liquido a solido in anidride carbonica ma una transizione da solido a liquido in acqua. La pressione più alta favorisce la forma solida più densa di anidride carbonica.

Nel caso dell'acqua, si predilige la forma liquida più densa.