Regola delle fasi in Termodinamica
La regola delle fasi, conosciuta anche come regola della varianza di Gibbs, riveste un ruolo fondamentale nel campo della termodinamica. È un concetto cruciale per determinare lo stato di equilibrio di un sistema eterogeneo e per classificarne i diversi casi di equilibrio. Questo concetto fornisce inoltre una prospettiva per comprendere le relazioni esistenti tra sistemi di diverso tipo.
Sistemi omogenei e eterogenei
Un sistema chimico è considerato omogeneo se è composto da una sostanza pura o da un insieme di sostanze equilibrate tra loro distribuite in un’unica fase, come ad esempio una fase gassosa, liquida o solida. Al contrario, un sistema è considerato eterogeneo quando le sostanze che lo compongono si trovano in diverse fasi di aggregazione.
Una fase di un sistema può essere costituita da una o più specie chimiche. Ad esempio, l’acqua in equilibrio con il suo solido (ghiaccio) è un esempio di sistema eterogeneo che consiste in un’unica fase con un componente distribuito in due fasi. Al contrario, soluzioni di liquidi miscibili come acqua e alcool costituiscono un sistema omogeneo con due componenti distribuiti in una sola fase.
Equilibri eterogenei e loro studio
Lo studio degli equilibri eterogenei, noti anche come equilibri polifasici, si propone di determinare le condizioni per le quali i fattori che regolano tali equilibri possono essere modificati entro certi limiti senza alterare l’equilibrio stesso. In altre parole, si cerca di capire come variare le condizioni del sistema senza causare la comparsa o la scomparsa di fasi.
Predire lo stato di equilibrio di un sistema chimico eterogeneo
Per prevedere lo stato di equilibrio di un sistema chimico eterogeneo, è possibile applicare la regola delle fasi dedotta da Gibbs. Lo stato di equilibrio di un sistema è definito da variabili o parametri di stato come temperatura, pressione e concentrazioni delle diverse specie chimiche presenti. Questi parametri sono legati da un’equazione di stato.
Il concetto di equilibrio chimico
Il concetto di equilibrio chimico può essere descritto attraverso un sistema di equazioni di equilibrio che coinvolgono le concentrazioni dei componenti chimici. Il numero di equazioni e variabili nel sistema determina il grado di libertà e influenza il numero di soluzioni possibili per le variabili del sistema.
Componenti indipendenti del sistema
I componenti indipendenti di un sistema sono le specie chimiche che determinano completamente la composizione delle fasi del sistema stesso. La conoscenza di questi componenti aiuta nel processo di analisi e previsione del comportamento dei sistemi chimici.
Esempio: Calcolare i gradi di libertà per l’equilibrio eterogeneo seguente:
NH4Cl (s) ⇌ NH3 (g) + HCl (g)
In questo caso, abbiamo due fasi: una solida (NH4Cl) e una gassosa (NH3 + HCl).
Applicando la formula, possiamo calcolare il numero di componenti indipendenti. Considerando che il sistema ha tre specie chimiche, una reazione reversibile tra le specie e un vincolo stechiometrico, otteniamo un solo componente indipendente.
In conclusione, la regola delle fasi è uno strumento fondamentale per comprendere il comportamento dei sistemi eterogenei e per analizzare gli equilibri tra diverse fasi di aggregazione della materia.L’equilibrio tra NH₄Cl solido, NH₃ gassoso e HCl gassoso è regolato dalla variazione della temperatura o della pressione. Ad esempio, se la temperatura è fissata, esisterà una singola pressione in cui le fasi solida e gassosa coesistono in equilibrio. Al contrario, se la pressione è fissata, esiste un unico valore di temperatura in cui le fasi solida e gassosa coesistono in equilibrio. Tuttavia, se entrambi i fattori sono variati contemporaneamente, una delle fasi (solido o gas) scomparirà.
Durante l’equilibrio tra il cloruro di ammonio (NH₄Cl) e l’ammoniaca (NH₃) e l’acido cloridrico (HCl), il sistema si trova in uno stato bivariante. I fattori che influenzano l’equilibrio sono la temperatura, la pressione e la concentrazione di NH₃ o HCl nella fase gassosa. La presenza di uno dei due componenti nella fase gassosa determina automaticamente la quantità dell’altro componente.
Questo equilibrio è interessante perché mostra come un sistema eterogeneo, con due fasi distinte, possa essere descritto da due componenti indipendenti. Nella fase solida del cloruro di ammonio, la dissociazione termica crea NH₃ e HCl, ma nelle fasi gassose, le loro concentrazioni non sono necessariamente uguali, rendendo il sistema bivariante.
L’equilibrio tra NH₄Cl solido, NH₃ gassoso e HCl gassoso può essere raggiunto riscaldando i composti in un recipiente chiuso. Durante l’equilibrio, il sistema si trova in uno stato bivariante, con due fattori che possono essere regolati senza influire sull’equilibrio. I fattori che influenzano l’equilibrio del sistema sono la temperatura, la pressione e la concentrazione di NH₃ o HCl nella fase gassosa.
Nel caso dell’equilibrio di CaCO₃ (s) ⇌ CaO (s) + CO₂ (g), il sistema è composte da due fasi solide, CaCO₃ e CaO, e una fase gassosa, CO₂. Applicando la regola delle fasi, il sistema è monovariante, e i fattori che regolano l’equilibrio del sistema sono la pressione e la temperatura. Una volta scelta arbitrariamente la pressione o la temperatura, l’altra verrà univocamente determinata per consentire la coesistenza delle tre fasi del sistema.