diagrammi di stato mappa concettuale

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I diagrammi di stato rappresentano graficamente le condizioni di pressione e temperatura in cui una sostanza esiste come solido, liquido o gas. La mappa illustra le curve di equilibrio, il punto triplo, il punto critico e la regola delle fasi di Gibbs, con esempi come acqua, anidride carbonica e elio. Utile per capire transizioni di fase, sublimazione, fusione ed ebollizione e per interpretare i diagrammi nei libri di chimica fisica.

Come si legge un diagramma di stato
Un diagramma di stato riporta la pressione sull'asse verticale e la temperatura su quello orizzontale. Ogni punto del piano indica la fase stabile della sostanza in quelle condizioni; attraversando una curva si passa da una fase all'altra. Ad esempio, partendo da vapore e comprimendo a temperatura costante si incontra prima la curva di sublimazione o quella di vaporizzazione, a seconda della temperatura. Se si attraversa il punto in cui le tre curve si incontrano, cioè il punto triplo, si possono osservare tutte e tre le fasi insieme. Leggere il diagramma significa quindi seguire traiettorie di riscaldamento, raffreddamento o compressione e prevedere le transizioni.

Punto triplo e punto critico: due limiti diversi
Il punto triplo e il punto critico hanno ruoli opposti. Nel punto triplo coesistono solido, liquido e vapore in equilibrio, con valori di temperatura e pressione ben definiti e riproducibili: per questo il punto triplo dell'acqua serve come riferimento nelle scale di temperatura. Il punto critico, invece, è l'estremo della curva di vaporizzazione: oltre quella temperatura nessuna pressione può condensare il gas in liquido, perché le due fasi diventano indistinguibili. La sostanza oltre il punto critico si chiama fluido supercritico, con proprietà intermedie tra liquido e gas. L'anidride carbonica supercritica, ad esempio, è usata come solvente in estrazioni industriali e nella decaffeinazione.

L'anomalia dell'acqua e la pendenza della curva di fusione
Per la maggior parte delle sostanze la curva di fusione ha pendenza positiva: aumentando la pressione il punto di fusione sale. L'acqua è un'eccezione celebre: il ghiaccio è meno denso del liquido, quindi la pressione favorisce la fusione e la curva inclina verso sinistra. Questo comportamento deriva dal legame a idrogeno che apre la struttura del ghiaccio. L'effetto è però limitato: la pressione di un pattino non basta da sola a spiegare la scivolosità del ghiaccio, che dipende anche da uno strato superficiale quasi liquido. Altri esempi di pendenza negativa si trovano in sostanze come il bismuto e il gallio.

Miscele e diagrammi di stato binari
I diagrammi descritti finora riguardano sostanze pure con una sola componente. Per le miscele di due componenti si usano diagrammi con composizione su un asse e temperatura o pressione sull'altro, come i diagrammi liquido-vapore a pressione costante. In questi casi compaiono regioni a due fasi, linee di rugiada e di ebollizione e, per miscele con azzeotropo, punti in cui liquido e vapore hanno la stessa composizione. La regola delle fasi di Gibbs, F = C - Fasi + 2, spiega perché con due componenti il sistema ha più gradi di libertà: la composizione diventa una variabile aggiuntiva oltre a pressione e temperatura.