Diagrammi di fase: solido, liquido, gas e punto critico

In quali condizioni una sostanza è solida, liquida o gassosa? La risposta non è un singolo numero, ma una mappa: il diagramma di fase, che mostra a colpo d’occhio in quale stato si trova una sostanza per ogni combinazione di temperatura e pressione. È uno strumento potente che racchiude in un’unica figura informazioni fondamentali — punti di fusione ed ebollizione, punto triplo, punto critico — e che spiega fenomeni quotidiani come la cottura in montagna o la liofilizzazione.

Vediamo come si legge un diagramma di fase, che cosa sono il punto triplo e il punto critico e quali informazioni se ne ricavano.

Che cos’è un diagramma di fase

Un diagramma di fase è un grafico che ha la temperatura sull’asse orizzontale e la pressione su quello verticale, suddiviso in regioni che corrispondono ai tre stati di aggregazione: solido, liquido e gas. Ogni punto del diagramma rappresenta una combinazione di T e P, e cade in una delle regioni indicando lo stato stabile della sostanza in quelle condizioni.

Le curve di equilibrio

Le linee che separano le regioni sono le curve di equilibrio: lungo di esse due fasi coesistono. La curva tra solido e liquido descrive la fusione; quella tra liquido e gas l’ebollizione (o evaporazione); quella tra solido e gas la sublimazione. Spostandosi lungo una curva — cambiando contemporaneamente T e P — la sostanza resta in equilibrio tra le due fasi corrispondenti.

Quante fasi possono coesistere e con quanti “gradi di libertà” è espresso in modo rigoroso dalla regola delle fasi di Gibbs, che per una sostanza pura assume la forma:

F = C − P + 2

dove F è la varianza (il numero di variabili, come T e P, che possiamo cambiare liberamente restando nello stesso stato), C il numero di componenti e P il numero di fasi presenti. In una regione (una sola fase) F vale 2: possiamo variare sia T sia P. Lungo una curva (due fasi) F scende a 1: scelta la temperatura, la pressione è determinata. Nel punto triplo (tre fasi) F vale 0: esiste una sola combinazione possibile di T e P. È la traduzione matematica di ciò che il diagramma mostra graficamente.

Il punto triplo

Il punto triplo è il punto speciale in cui si incontrano tutte e tre le curve: l’unica combinazione di temperatura e pressione in cui i tre stati — solido, liquido e gas — coesistono simultaneamente in equilibrio. È una proprietà caratteristica di ogni sostanza, talmente precisa e riproducibile che il punto triplo dell’acqua è stato a lungo usato per definire l’unità di temperatura.

Il punto critico

La curva liquido-gas non prosegue all’infinito: termina nel punto critico. Oltre la temperatura e la pressione critiche, la distinzione tra liquido e gas scompare: si entra nello stato di fluido supercritico, che ha proprietà intermedie (densità simile a un liquido, capacità di diffondere come un gas). I fluidi supercritici hanno applicazioni industriali importanti, come la CO₂ supercritica usata per estrarre la caffeina dal caffè senza solventi tossici.

Perché conta nella pratica

I diagrammi di fase sono strumenti di lavoro in moltissimi campi: nella metallurgia (per progettare leghe e trattamenti termici), nella conservazione e nell’industria alimentare e farmaceutica (la liofilizzazione sfrutta la sublimazione a bassa pressione per essiccare prodotti delicati), nei processi di estrazione con fluidi supercritici, nella gestione dei gas compressi e liquefatti. Sapere a quale stato si trova una sostanza nelle condizioni di lavoro è essenziale anche per la sicurezza: un gas liquefatto sotto pressione, ad esempio, si comporta in modo molto diverso a seconda di dove si trova rispetto al suo diagramma di fase.

Domande frequenti

Che cos’è un diagramma di fase?

È un grafico pressione-temperatura che mostra in quale stato (solido, liquido o gas) una sostanza è stabile per ogni combinazione di T e P. Le regioni rappresentano i tre stati, le curve che le separano rappresentano le condizioni di equilibrio in cui due fasi coesistono.

Che cos’è il punto triplo?

È l’unica combinazione di temperatura e pressione in cui i tre stati di una sostanza — solido, liquido e gas — coesistono simultaneamente in equilibrio. È una costante caratteristica di ogni sostanza; quello dell’acqua è stato a lungo usato per definire l’unità di temperatura.

Che cos’è il punto critico?

È il punto in cui termina la curva di equilibrio liquido-gas. Oltre la temperatura e la pressione critiche, la distinzione tra liquido e gas scompare e si forma un fluido supercritico, con proprietà intermedie tra i due stati, sfruttato in alcuni processi di estrazione.

Perché in montagna l’acqua bolle prima?

Perché in quota la pressione atmosferica è minore, e lungo la curva di ebollizione del diagramma di fase una pressione più bassa corrisponde a una temperatura di ebollizione più bassa. L’acqua bolle così sotto i 100 °C, e i cibi cuociono più lentamente.

Che cos’è un fluido supercritico?

È lo stato che una sostanza assume oltre il suo punto critico, dove liquido e gas non si distinguono più. Ha proprietà intermedie: densità simile a un liquido e capacità di diffondere come un gas. La CO₂ supercritica, ad esempio, è usata per decaffeinare il caffè senza solventi tossici.