Equilibrio solido-vapore e sublimazione: un fondamentale processo chimico
Nel contesto della chimica fisica, l’equilibrio solido-vapore gioca un ruolo significativo nei sistemi a componente singolo, dove il calore di sublimazione rappresenta la somma del calore di fusione e di evaporazione. Un esempio rilevante di equilibrio solido-vapore è la sublimazione del ghiaccio secco o dell’iodio.
Sistemi a due componenti
Quando si analizzano sistemi a due componenti, è possibile distinguere due casi principali:
1) Componenti come miscuglio di sostanze diverse non legate tra loro.
2) Componenti legati in forma di composti solidi.
Nel primo caso, la trattazione è simile a quella dei sistemi a componente singolo, con l’unica eccezione del trascurabile effetto della pressione totale sulla pressione di vapore dei singoli componenti.
Nel secondo caso, si verifica una reazione chimica eterogenea che determina la presenza in fase di vapore di non tutti i costituenti del composto.
Un esempio è la decomposizione dei carbonati degli elementi del II gruppo del Sistema Periodico, come nel caso della decomposizione del carbonato di calcio.
Sali idrati
Un aspetto interessante riguarda i sali idrati che incorporano acqua di cristallizzazione nella loro struttura. Un esempio classico è il solfato di rame (II), che si presenta in quattro forme cristalline diverse in base alla pressione del vapore d’acqua nel solido.
La costante di equilibrio Kp è costante a temperatura costante e coincide con la pressione del vapore d’acqua in equilibrio con le due fasi solide.
Purificazione dei solidi
Il processo di sublimazione è ampiamente utilizzato per purificare i solidi dalle impurità. Questo è possibile quando la sostanza da purificare ha un’elevata tensione di vapore allo stato solido e le impurezze ne hanno una bassa, oppure quando le impurità sono presenti solo in tracce. La sublimazione sotto vuoto porta a un rendimento maggiore in quanto si ha una continua sottrazione dalla sostanza allo stato di vapore e il processo è più rapido.
Inoltre, il rapporto tra le tensioni di vapore è cruciale per la separazione, più della loro differenza assoluta, poiché influenza la frazione molare presente nella fase di vapore della sostanza da separare. Operare sotto vuoto a una temperatura in cui la tensione di vapore di una delle due sostanze da separare è praticamente nulla e l’altra è bassa ma apprezzabile è preferibile rispetto a una temperatura più elevata in cui entrambe le sostanze sono volatili.
