La regola delle fasi

La regola delle fasi è un’espressione matematica, formulata dal fisico statunitense Josiah Willard Gibbs, che descrive il comportamento dei sistemi chimici.
I componenti di un sistema chimico possono trovarsi in una o più fasi come gas, liquidi o solidi; in particolare può essere presente un numero qualsiasi di fasi liquide o solide mentre, a causa della miscibilità dei gas, non possono coesistere due fasi gassose.
Una lega di rame e nichel, ad esempio, contiene due fasi solide; analogamente due liquidi immiscibili come l'acqua e il tetracloruro di carbonio, rappresentano due fasi liquide; una soluzione salina in equilibrio con il sale e con il vapore acqueo comprende invece tre fasi: una solida (il sale), una liquida (la soluzione salina) e una gassosa (il vapore acqueo).
La regola delle fasi consente di calcolare la varianza, ossia il numero di variabili (come temperatura, pressione o composizione) che possono essere variate senza alterare il numero e il tipo delle fasi presenti in un sistema eterogeneo. Essa è espressa dalla relazione
V = C - F + 2
in cui
V rappresenta la varianza o n° di gradi di libertà del sistema
C il numero di componenti chimici indipendenti
e F il numero di fasi presenti.
Una semplice applicazione della regola delle fasi si ha nel caso di un sistema costituito da una sola sostanza (C = 1) per il quale si richieda la presenza contemporanea delle tre fasi, solida, liquida e gassosa (F = 3) in equilibrio; in questo caso la varianza del sistema è nulla: esiste cioè solo una combinazione di temperatura e di pressione (detta punto triplo), tipica per ogni sostanza, che corrisponde alle condizioni specificate.
La regola delle fasi permette sia di interpretare i risultati sperimentali, sia di fare previsioni sul comportamento dei sistemi chimici; trova inoltre applicazione in tutti i campi di studio dei sistemi eterogenei all'equilibrio: ad esempio in geologia, controlla la formazione e la modificazione di minerali e rocce, in metallurgia, la produzione delle leghe metalliche.
Specifichiamo meglio i diversi termini della regola:
C = n° di componenti indipendenti.
In presenza di diversi Costituenti (specie chimica es. ione, molecola, etc) il numero dei componenti (C) è il numero minimo di specie indipendenti necessario a definire la composizione di tutte le fasi presenti nel sistema.
Ad es.
Acqua pura --> C = 1
Miscela Acqua/Etanolo --> C = 2
CaCO3(s) <- -> CaO(s) + CO2(g) --> C = 2
Quando non ha luogo nessuna reazione il numero dei componenti corrisponde con il numero dei costituenti. Nell’ultimo equilibrio abbiamo 3 fasi (due solide e 1 gassosa) ma la stechiometria della reazione permette di trascurare un costituente della fase solida ottenendo in totale due componenti. Di fatto le quantità (o meglio, le “attività” dove per attività si intende la quantità di sostanza effettivamente attiva ai fini della reazione) delle 3 specie sono legate dalla costante di equilibrio:
Keq = aCO2 * aCaO / aCaCO3
per cui conoscendo la composizione di 2 delle 3 specie si conosce automaticamente anche la composizione della terza --> sono 3 componenti MA NON indipendenti --> a causa delle relazione che li lega (Keq) il numero di componenti indipendenti scende a 2..
F = Fase = Porzione di materia omogenea in ogni suo punto in rapporto alla composizione chimica e stato fisico. Si parla di fasi (stati) solide, liquide e gassose di una sostanza e delle sue diverse fasi solide (es. forme allotropiche del fosforo, ecc.).
Ad es.:
Acqua pura --> f = 1
Miscela gassosa --> f = 1
CaCO3(s) <- -> CaO(s) + CO2(g) --> f = 3 (due fasi solide e una fase gassosa)
V = varianza = n° delle variabili intensive (pressione, temperatura, frazione molare) che possono essere mutate in modo indipendente senza alterare il numero delle fasi in equilibrio e sufficienti a definire univocamente lo stato del sistema.
Ad es. Consideriamo un sistema chiuso ne quale sono presenti 1 componente (H2O) e due fasi (liquida e gasosa). Per la legge di Gibbs:
V=1-2+1= 1 --> per mantenere il sistema immutato (C = 1 e F = 2) possiamo al massimo variare uno dei parametri termodinamici: la T o la P.
Per lo stesso sistema in cui però siano presenti 3 fasi (liquida e gasosa e solida = punto triplo dell'H2O) la legge di Gibbs diviene:
V=1-3+2= 0 --> non possiamo variare niente, né P né T, perchè se variamo anche solo una di dette grandezze, il numero di Fasi cambi
 
 
Dott.ssa Stefania Michelotti
nickname: lachimica