Διάγραμμα φάσεων καθαρής ουσίας

Τα διαγράμματα φάσεων καθαρής ουσίας δείχνουν τις φάσεις μίας ουσίας (ενός στοιχείου ή μίας χημικής ένωσης) που είναι θερμοδυναμικά σταθερές υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, γι' αυτό και αποκαλούνται επίσης διαγράμματα θερμοκρασίας–πίεσης. Η ουσία μπορεί να υπάρχει στην αέρια κατάσταση (μία φάση), στην υγρή (μία φάση) ή στην στερεά κατάσταση (σε μία ή περισσότερες φάσεις).

Το διάγραμμα φάσεων ή διάγραμμα θερμοκρασίας–πίεσης (Ρ–Τ) του νερού, με το χαρακτηριστικό τριπλό σημείο.

Χαρακτηριστικές καμπύλες και αμετάβλητα σημεία

Τα όρια μεταξύ δύο φάσεων δείχνουν τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας υπό τις οποίες δύο διαφορετικές φάσεις βρίσκονται σε ισορροπία και γι' αυτό αποκαλούνται καμπύλες ισορροπίας.

Οι καμπύλες ισορροπίας υπακούουν στον νόμο Clausius–Clapeyron, σύμφωνα με τον οποίο η κλίση αυτών των καμπυλών, dP/dT, είναι ίση με το πηλίκο ΔΗ/(ΤΔV), όπου ΔΗ η διαφορά της γραμμομοριακής ενθαλπίας μεταξύ των δύο φάσεων, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και ΔV η διαφορά του γραμμομοριακού όγκου μεταξύ των δύο φάσεων.

Το σημείο όπου τέμνονται οι τρεις καμπύλες ισορροπίας αέριο–υγρό, υγρό–στερεό και αέριο–στερεό αποκαλείται τριπλό σημείο. Στο τριπλό σημείο, οι τρεις καταστάσεις — αέρια, στερεά και υγρή — της ίδιας ουσίας βρίσκονται σε ισορροπία. Ο νόμος του Gibbs λέει οι βαθμοί ελευθερίας (F) ενός συστήματος εξαρτώνται από τον αριθμό των συστατικών (C) και τις φάσεις του συστήματος (P) που συνυπάρχουν σε ισορροπία:

P + F = C + 2

Στο τριπλό σημείο, οι βαθμοί ελευθερίας είναι F = C + 2 – P = 1 + 2 – 3 = 0. Οπότε, το τριπλό σημείο αποτελεί αμετάβλητο σημείο της κάθε ουσίας, δηλ. χαρακτηριστική ιδιότητα της κάθε ουσίας.

Εφόσον ένα στοιχείο εμφανίζεται σε διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές, τότε οι αντίστοιχες στερεές φάσεις αποκαλούνται αλλοτροπικές μορφές του ίδιου στοιχείου. Για παράδειγμα, ο γραφίτης και το διαμάντι αποτελούν αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα· ο μεν γραφίτης είναι σταθερός σε χαμηλές πιέσεις και σχηματίζει εξαγωνικούς κρυστάλλους, το δε διαμάντι είναι σταθερό σε υψηλές πιέσεις σχηματίζει τετραεδρικούς κρυστάλλους. Παρομοίως, αλλοτροπικές μορφές παρατηρούνται σε πολλά στοιχεία, όπως στο θείο, που στερεοποιείται είτε ως άμορφο στερεό, είτε δημιουργώντας ορθορομβικούς (α-S), μονοκλινείς (β-S) ή τρικλινείς κρυστάλλους (γ-S). Ο σίδηρος επίσης στερεοποιείται είτε ως χωροκεντρωμένος κυβικός φερρίτης (α-Fe και δ-Fe) είτε ως εδροκεντρωμένος κυβικός ωστενίτης (γ-Fe).

Στην περίπτωση χημικών ενώσεων που στερεοποιούνται σε διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές, γίνεται λόγος για πολυμορφία και οι διάφορες κρυσταλλικές φάσεις της ίδιας ουσίας αποκαλούνται πολύμορφες φάσεις ή πολύμορφα. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του πυριτίου ή η πυριτία (SiO₂) σχηματίζει μια σειρά από πολύμορφα, όπως χαλαζία α και χαλαζία β, τριδυμίτη, χριστοβαλίτη, κοεσίτη, κ.λπ., αναλόγως των συνθηκών κρυστάλλωσης.

Παραδείγματα

• 
  Διάγραμμα Ρ–Τ του διοξειδίου του άνθρακα.
• 
  Διάγραμμα Ρ–Τ του διοξειδίου του πυριτίου.
• 
  Διάγραμμα Ρ–Τ του άνθρακα.

Σημείωση

Για βιβλιογραφικές παραπομπές και εξωτερικές συνδέσεις, βλ. λήμμα διάγραμμα φάσεων.