Punto critico

Il punto critico unitamente al punto triplo sono termini che si riferiscono a un certo stato di una sostanza e sono correlati all’equilibrio tra fasi.  La temperatura, la pressione e il volume corrispondenti al punto critico sono noti rispettivamente come temperatura critica, pressione critica e volume critico

Il punto critico di una sostanza, scoperto dal fisico e ingegnere francese Charles Cagniard de la Tour nel 1822, è la temperatura e la pressione più elevate in cui la sostanza può esistere in fase gassosa e in fase liquida in equilibrio fra loro. Nel punto critico non c’è alcun cambiamento di stato quando viene aumentata la pressione o se viene erogato calore al sistema.

Il punto critico è un punto singolare e caratteristico del diagramma di fase unitamente al punto triplo. Il punto triplo di una specie in cui a un determinato valore di pressione e di temperatura coesistono la fase solida, liquida e gassosa

Diagramma di stato di una sostanza pura e punto critico

Una sostanza pura può esistere in una qualsiasi delle tre fasi: solido, liquido e vapore, a determinate temperature e pressioni. Quando la sua temperatura o pressione cambia, la sostanza può passare da una fase all’altra. Lo stato di equilibrio di una sostanza pura e le sue transizioni di fase sono comunemente illustrate nei diagrammi di fase.

Questi diagrammi di fase mostrano le regioni monofase di solido, liquido e vapore o gas, così come tre regioni bifase, dove solido-liquido, liquido-vapore o solido-vapore coesistono in equilibrio. Se una qualsiasi sostanza è in equilibrio liquido-vapore, significa che le due fasi, vapore e liquido, coesistono simultaneamente.   Se la pressione e la temperatura del materiale sono tali che i punti non giacciono sulle linee, allora la sostanza esisterà in una sola fase, sia come solido o liquido o come gas.

La curva tra la fase liquida e la fase gassosa è chiamata curva di vaporizzazione, quella tra la fase solida e la fase liquida è chiamata curva di fusione mentre quella tra la fase solida e la fase gassosa è chiamata curva di sublimazione.

Nel diagramma sono presenti il punto triplo e il punto critico che si trovano entrambi come punto iniziale e finale della curva di vaporizzazione. Se una qualsiasi sostanza è in equilibrio liquido-vapore, significa che le due fasi, vapore e liquido, coesistono simultaneamente.

Aumentando la temperatura si raggiunge un punto in cui non si è più in grado di distinguere tra la fase liquida da quella gassosa. La temperatura a questo punto è chiamata temperatura critica e la pressione è chiamata pressione critica e questo punto sul diagramma è chiamato punto critico.

Nel punto critico non è necessario aggiungere energia per convertire il liquido in gas perché entrambe le fasi hanno la stessa densità. La combinazione di pressioni e temperature al di sopra del punto critico dà origine a un fluido supercritico.

Curve di Andrews

Le curve di Andrews sono delle rappresentazioni nel piano pressione-volume del comportamento liquido-gas di una sostanza

La legge di Boyle correla la variazione di volume al variare della pressione di un gas quando si opera a temperatura costante ed è nota come legge isoterma.

Tale legge è formulata come: il volume di un determinato gas è inversamente proporzionale alla sua pressione se si opera a temperatura costante. Matematicamente la legge di Boyle viene formulata come: pV = costante. Da un punto di vista grafico in un piano (pV) si ottiene un’iperbole equilatera che rappresenta un’isoterma deducibile dai dati sperimentali.

Il comportamento dei gas reali, tuttavia differisce, dalle condizioni di idealità descritte: il comportamento di un gas reale si avvicina a quello di un gas ideali solo ad elevate temperature a a basse pressioni

Operando su un gas reale da una certa temperatura in su l’andamento dell’isoterma ricalca quello dell’isoterma di Boyle, mentre a temperature più basse essa si deforma tanto da assumere un andamento a “gradino”.

Nel 1877 il fisico inglese Andrews trovò che per ciascun gas esiste una temperatura limite (temperatura critica) al di sopra della quale il gas non può essere liquefatto qualunque sia la pressione alla quale lo si sottopone. Dalla figura si può rilevare che per l’isoterma di 21.5 °C la liquefazione inizia nel punto N e termina in M.

Il tratto orizzontale (liquefazione) diminuisce per le isoterme a temperature più elevate fino a ridursi a un punto C (punto critico) al quale corrisponde un volume critico (V_c) e una temperatura critica T_c. La curva tratteggiata (campana di Andrews) unisce tutti i punti di inizio e fine della liquefazione.

Transizione di fase

Utilizzando una miscela di due liquidi parzialmente miscibili liquidi ovvero liquidi che non si mescolano in tutte le proporzioni a tutte le temperature si può verificare il passaggio da una fase monofase a due fasi e viceversa. Una miscela di due liquidi parzialmente miscibili A e B può presentarsi come due fasi separate o come una fase singola, a seconda della temperatura.

I due liquidi A e B sono immiscibili in un’ampia gamma di composizioni al di sotto di una certa temperatura. In questa regione esiste una fase ricca di A e una ricca di B, separate da un confine. Quando questa miscela viene riscaldata, il volume di una fase aumenta a spese dell’altra. Alla temperatura di transizione per la particolare composizione, non ci saranno più due fasi distinguibili.

In un diagramma temperatura-composizione un punto significativo si verifica quando la distinzione tra le due fasi coesistenti si riduce a zero. Qui i domini presenti nella miscela possono passare facilmente da ricchi di A a ricchi di B.

Quando si verifica una separazione di fase, il punto più alto in un diagramma temperatura-composizione è un punto critico chiamato temperatura critica superiore. Al di sopra di questo punto critico, questa miscela binaria è totalmente miscibile. A livello molecolare,

questo può essere interpretato come le molecole che si avvicinano e l’energia cinetica di ciascuna molecola supera le interazioni molecolari. Un esempio di un sistema che mostra questo comportamento è la miscela di cicloesano e anilina.

Alcuni sistemi mostrano un punto critico inferiore a cui corrisponde una temperatura di soluzione critica inferiore al di sotto della quale la miscela binaria è monofase e totalmente miscibile. Un esempio di un sistema che mostra questo comportamento è la miscela di acqua e trietilammina.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica