Phasendiagramme und deren Auswertung

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 einem 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 zwei Komponenten

Ein Phasendiagramm (für zwei Komponenten) gibt für jeden Punkt im Temperatur – Zusammensetzungsdiagramm an, welche Phase oder Phasen im Gleichgewicht vorliegen (z.B. Stoff A (flüssig) und Stoff B (gasförmig).

Wie ist ein Phasendiagramm aufgebaut?

Aufgebaut (Grundstruktur) ist jedes Phasendiagramm wie ein Diagramm. Dabei wird auf der x-Achse (waagrechte Achse) die Zusammensetzung des Systems aufgetragen, auf der y-Achse (senkrechte Achse) die Temperatur. Die Zusammensetzung des Systems wird folgendermaßen angegeben: am linken Rand eines solchen Diagramms liegt die Komponente (A) als reiner Stoff vor (= 100% A) und demzufolge am rechten Rand die zweite Komponente (B) als reiner Stoff (= 100 B), dazwischen liegt ein Stoffgemisch aus A und B vor.
Je nach Temperaturbereich kann man zwei verschiedene Phasendiagramme unterscheiden, das Schmelzdiagramm (Phasen: fest-flüssig) und das Siedediagramm (Phasen: flüssig-gasförmig ).

• Schmelzdiagramm: Bei einem (idealen) Schmelzdiagramm gibt es drei Bereiche: Eine Grenzlinie (als Liquidus-Linie bezeichnet), die den flüssigen Bereich und eine Grenzlinie (als Solidus-Linie bezeichnet), die den festen Bereich abgrenzt. Allgemein gilt: oberhalb der Liquidus-Linie liegen die Komponenten komplett flüssig, unterhalb der Solidus-Linie komplett fest vor. Der Bereich zwischen Liquidus- und Solidus-Linie wird als Mischungslücke bezeichnet.
• Siedediagramm: Bei einem (idealen) Siedediagramm gibt es drei Bereiche: Eine Grenzlinie (als Kondensations-Linie bezeichnet), die den gasförmigen Bereich und eine Grenzlinie (als Siede-Linie bezeichnet), die den flüssigen Bereich abgrenzt. Allgemein gilt die obere Phase gasförmig und die untere ist flüssig.
  

  Siedediagramm

   

Abbildung: Phasendiagramm mit zwei Komponenten, beliebig mischbar, flüssige und gasförmige Phasen

Weitere Diagrammarten

Bei oben gezeigter Abbildung handelt es sich um eine ideale Mischung. Reale Mischungen oft anders verhalten als ideale Mischungen, daher weichen diese Phasendiagramme i.d.R vom idealisierten Bild ab. Phasendiagramme können eutektische Zusammensetzungen (Bezeichnung für ein Gemisch zweier oder auch mehrerer Stoffe, die im festen Zustand nicht und nur im geschmolzenen Zustand vollständig mischbar sind) aufweisen. Besonders häufig sind in Phasendiagrammen Mischungslücken zu finden. Nachfolgend sind einige Möglichkeiten aufgelistet:

• Keine Mischbarkeit im festen Zustand, Mischungslücke in Flüssigkeit
• Beliebige Mischbarkeit in flüssigem Zustand, keine Mischbarkeit im festen Zustand
• keine Mischbarkeit im festen Zustand
• Beliebige Mischbarkeit in der Flüssigkeit, bedingte Mischbarkeit der Festkörper
• Phasendigaramm mit zwei Komponenten mit kritischem Punkt und Mischungslücke
• Phasendiagramm mit zwei Komponenten, die beliebig mischbar sind, aber es existiert ein Punkt gleicher Konzentration

Auswertung des Phasendiagramms

• Innerhalb der flüssigen oder festen Phase (bis zum Zweiphasengebiet) ändert sich die Ursprungszusammensetzung beim Erhitzen nicht. Die Zusammensetzung kann als Schnittpunkt der Zusammensetzungs- und Temperaturlinie bestimmt werden.
• Erreicht die Temperatur das Zweiphasengebiet, ändert sich die Phasenzusammensetzung, da man nun je nach Phasendiagramm eine flüssig und gasförmige Phase (Siedediagramm) hat oder eine fest und flüssige Phase (Schmelzdiagramm), d.h. jede Komponente (A und B) liegen jeweils in zwei Phasen vor. Die Berechnung im Zweiphasengebiet erfolgt mit Hilfe des Hebelprinzips. Zuerst zeichnet man den gewünschten Punkt (Zusammensetzung/Temperatur) ein, dazu bildet man den Schnittpunkt zwischen der Temperaturlinie und der Zusammensetzungsslinie. Anschließend geht man von diesem Punkt bis zu den beiden Schnittpunkten der Linien, die das Zweiphasengebiet begrenzen. Von diesem Punkt zieht man eine senkrechte Linie nach unten und erhält so die Zusammensetzung als Schnittpunkt mit der x-Achse.
• Innerhalb der flüssigen oder gasförmigen Phase (oberhalb des Zweiphasengebietes) ändern sich die Zusammensetzung nicht, die Zusammensetzung kann als Schnittpunkt der Zusammensetzungs- und Temperaturlinie bestimmt werden.

Beispiel:

Siedediagramm

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:

Phasendiagramme und deren Auswertung – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem Begriff “Phasendiagramm”?

Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung, die zeigt, unter welchen Temperatur- und Druckbedingungen welche Phase eines Stoffes stabil ist.

2. Welche Achsen sind typischerweise in einem Phasendiagramm dargestellt und was stellen sie dar?

In einem Phasendiagramm sind die Temperatur auf der x-Achse und der Druck auf der y-Achse dargestellt.

3. Wie heißt der Punkt in einem Phasendiagramm, an dem alle Phasen eines Stoffes aufeinandertreffen?

Alle Phasen eines Stoffes treffen im Triplepunkt aufeinandertreffen.

4. Was versteht man unter einem eutektischen Punkt in einem Phasendiagramm?

Ein eutektischer Punkt ist ein Punkt in einem Phasendiagramm, in dem eine flüssige Phase beim Abkühlen in zwei feste Phasen zerfällt oder umgekehrt.

5. Was verstehen wir unter kritischer Temperatur und kritischem Druck in einem Phasendiagramm?

Die kritische Temperatur und der kritische Druck sind die Werte von Temperatur und Druck, bei denen ein Stoff gleichzeitig als Flüssigkeit und Gas existieren kann.

6. Wie verwendet man ein Phasendiagramm, um die Phase eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zu bestimmen?

Um die Phase eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zu bestimmen, sucht man den Punkt im Phasendiagramm, der den gegebenen Parametern entspricht. Die Fläche im Diagramm, in der sich dieser Punkt befindet, bestimmt die Phase des Stoffes.

7. Wie identifiziert man den Zustand der Substanz in einem Phasendiagramm?

Der Zustand der Substanz in einem Phasendiagramm wird durch die Phase angezeigt, in der sich der Punkt, der die gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen repräsentiert, befindet.

8. Was passiert bei der Phasenumwandlung laut einem Phasendiagramm?

Bei einer Phasenumwandlung ändert sich die Phase eines Stoffes, typischerweise von fest zu flüssig, von flüssig zu gasförmig oder umgekehrt, entsprechend den im Phasendiagramm dargestellten Bedingungen.

9. Wofür sind Phasendiagramme in der Industrie besonders wichtig?

Phasendiagramme sind in der Industrie wichtig für die Materialwissenschaft und die Fertigung, da sie dabei helfen, die Produktionseinstellungen zu bestimmen, bei denen Materialien bestimmte Eigenschaften haben.

10. Warum sind in Phasendiagrammen auch Linien dargestellt und was bedeuten sie?

Die Linien in einem Phasendiagramm trennen die verschiedenen Phasen. Sie repräsentieren die Bedingungen, unter denen Phasenänderungen auftreten.