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Phasendiagramme:

Allgemeines:
Phasendiagramme sind ein wichtiges Hilfsmittel in der Chemie und Physik zur Untersuchung und Trennung von Stoffgemischen. Meistens wird ein Phasendiagramm (bei Stoffgemischen) als ein Temperatur - Zusammensetzungs Diagramm verwendet, bei dem die Konzentration von Stoffen gegen die Temperatur aufgetragen wird. Anwendung dient dieses Phasendiagramm z.B. bei der Trennung von Stoffgemischen (Destillation -> Trennung von Stoffgemischen aufgrund unterschiedlicher Temperatur).
Ein Phasendiagramm eines einzigen Stoffes ist i.d.R. ein Temperatur-Druck Diagramm, bei dem die Temperatur gegen den Druck aufgetragen wird. Aus einen solchen Phasendiagramm kann man daher ablesen, bei welcher Temperatur und bei welchem Druck ein Stoff im Aggregatzustand fest, flüssig oder gasförmig vorliegt, weswegen diese Phasendiagramme auch Zustandsdiagramme genannt werden.
 

Phasendiagramme für eine Komponente (Zustandsdiagramme):
Aufgebaut (Grundstruktur) ist jedes Phasendiagramm wie ein Diagramm. Dabei wird auf der x-Achse (waagrechte Achse) die Temperatur des Systems aufgetragen, auf der y-Achse (senkrechte Achse) der Druck. In der Regel besteht das Diagramm aus drei Linien, die das Gesamtsystem in feste, flüssigenund gasförmige Phase trennen.

Ohne ein Phasendiagramm zu kennen,ist jedem bewusst, dass der Aggregatzustand eines Stoffes von der Temperatur und dem Druck abhängt (dies gilt für einfache Systeme, bei komplizierteren Systemen können feste Zustände auftauchen, die je nach Temperatur oder Durck unterschiedlich sind (hexagonale oder kubische Struktur)). Die einzelnen Bereiche im Diagramm (fest, flüssig, gasförmig) werden auch als Phasen bezeichnet. Phasen sind dabei allgemein als Bereiche definiert, in denen sich die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes nicht sprungartig ändern.

Wichtige Punkte in einem Phasendiagramm:

  • Tripelpunkt: Der Tripelpunkt (manchmal auch Dreiphasenpunkt genannt) ist der (thermodynamische) Zustand (charakterisiert durch Durck und Temperatur), an dem drei Phasen eines Stoffes im Gleichgewicht sind, d.h. alle drei Phasen sind bei diesem Druck und Temperatur vorhanden.  Der Tripelpunkt ist meist  nur durch eine bestimmte Temperatur und/oder einem bestimmten Druck gegeben. Bezogen auf das Beispiel Wasser ist am Tripelpunkt also Eis, Wasserdampf und normales Wasser (jede Flüssigkeit hat auch einen gewissen Dampfdruck) vorhanden.
  • Kritischer Punkt:  So wird der (thermodynamische) Zustand eines Stoffes bezeichnet (im Phasendiagramm Punkt am oberen Ende der Dampfdruckkurve), der sich durch Angleichen der Dichten von flüssiger und Gasphase kennzeichnet. Die Unterschiede zwischen beiden Aggregatzuständen hören an diesem Punkt auf zu existieren.  Oberhalb dieses Punktes ist deshalb durch keine Druckerhöhung mehr möglich, das Gas zu verflüssigen


Betrachtung eines Phasendiagrammes:
Obig abgebildetes Diagramm lässt sich sehr gut für das System Wasser verwenden.

  • Der feste Zustand unterscheidet sich vom flüssigen und gasförmigen Zustand dadurch, dass die Atome, Moleküle sich (fast) nicht mehr bewegen können. Das bedeutet, dass man einen hohen Druck und eine niedrige Tepmeratur benötigt
  • Grundsätzlich gult beim Übergang in den gasförmigen Zustand: je stärker sich die Moleküle untereinander anziehen, desto höher liegt der Siedepunkt. Bei hoher Temperatur und niedrigem Druck sind Verbindungen in der Regel gasförmig.


Anwendung der Gibbschen Phasenregel:
Die Gibbsche Phasenregel erlaubt eine Aussage, in wie weit die Temperatur und/oder Druck verändert werden können, ohne dass sich die Phase ändert (von Interesse ist diese Anwendung eigentlich nur, wenn mehrere Phasen oder Komponenten in einem System vorliegen.
Die Gibbsche Phasenregel lautet:

Zahl der Freiheitsgrade = Zahl der Komponenten + 2 - Zahl der Phasen

Die Phasenregel lässt sich sehr gut am Beispiel Tripelpunkt im System Wasser erklären, der Tripelpunkt bei Wasser liegt etwa bei 1 atm Druck und 273,16 K. An diesem Punkt liegen drei Phasen (fest, flüssig und gasförmig) vor, das System enthält eine Komponente. Somit kann man die Zahl der Freiheitsgrade bestimmt:  Freiheitsgrade = 1 + 2 - 3 = 0.
Somit liegt kein Freiheitsgrad vor, man kann also am Tripelpunkt weder Temperatur noch Druck ändern, ohne das System zu verändern (was in Übereinstimmung mit der Definition des Tripelpunktes steht).


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