Phasendiagramme

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 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, flüssigen und gasförmige Phase trennen.

Phasendiagramme

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 Druck 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 Druck 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 Phasendiagramms:
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 Temperatur benötigt
• Grundsätzlich gilt 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, inwieweit 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 – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Phasendiagramm?

Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie sich der Zustand oder die Phase einer Substanz ändert in Abhängigkeit von variierenden Bedingungen, wie Temperatur und Druck.

2. In wie viele Bereiche lässt sich ein Phasendiagramm einer reinen Substanz üblicherweise unterteilen?

Ein Phasendiagramm einer reinen Substanz wird üblicherweise in drei Bereiche unterteilt: Feststoff-, Flüssigkeits- und Gasphase.

3. Was zeigt der Tripelpunkt in einem Phasendiagramm?

Der Tripelpunkt in einem Phasendiagramm zeigt den speziellen Punkt, an dem alle drei Phasen (fest, flüssig, gasförmig) einer Substanz koexistieren können.

4. Was repräsentiert die Siedelinie in einem Phasendiagramm?

Die Siedelinie repräsentiert die Grenze zwischen der Flüssigkeitsphase und der Dampfphase, d.h., es zeigt, bei welchen Temperatur- und Druckbedingungen eine Substanz siedet.

5. Was versteht man unter dem Begriff “kritischer Punkt” in einem Phasendiagramm?

Der “kritische Punkt” bezeichnet den Punkt in einem Phasendiagramm, über dem sich die Flüssigkeits- und Gasphase zu einem einzigen “supercritical” Zustand verbinden.

6. Wie ändert sich der Schmelzpunkt einer Substanz mit steigendem Druck in einem Phasendiagramm?

Der Schmelzpunkt einer Substanz erhöht sich mit steigendem Druck. Dies bedeutet, dass der Feststoff unter höherem Druck weniger leicht in die Flüssigkeitsphase übergeht.

7. Was versteht man unter dem Begriff “Phasenübergang”?

Ein Phasenübergang bezieht sich auf den Prozess, bei dem eine Substanz von einer Phase in eine andere übergeht, z.B. von einem Feststoff zu einem Flüssigstoff oder von einem Flüssigstoff zu einem Gas.

8. Wie verändert sich der Zustand einer Substanz, wenn man sich entlang der Siedelinie in einem Phasendiagramm bewegt?

Wenn man sich entlang der Siedelinie in einem Phasendiagramm bewegt, verändert sich die Substanz von einem Flüssigstoff zu einem Gas (Sieden) oder umgekehrt (Kondensation), abhängig von der Richtung der Bewegung.

9. Was ist ein eutektisches System in einem binären Phasendiagramm?

Ein eutektisches System in einem binären Phasendiagramm ist ein spezieller Punkt, an dem die Mischung aus zwei Komponenten die niedrigste Schmelztemperatur hat.

10. Was versteht man unter einem binären Phasendiagramm?

Ein binäres Phasendiagramm ist ein Phasendiagramm, das die Phasenverhältnisse zwischen zwei chemischen Elementen (Reine Metalle, Legierungen oder chemische Verbindungen) aufzeigt.