Phasendiagramme
Was ist ein Phasendiagramm und wozu kann man es gebrauchen ?
Ein Phasendiagramm (man sagt auch Zustandsdiagramm dazu) gibt an, welche Phase eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck stabil ist.
Man kann aus dem Phasendiagramm also ablesen, bei welcher Temperatur und bei welchem Druck ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist. Man kann ablesen, wann ein Stoff schmilzt, verdampft oder sublimiert.
Bildet ein Stoff mehrere feste Phasen (zum Beispiel sind Graphit und Diamant die beiden festen Phasen des Kohlenstoffs), kann man ablesen, unter welchen Bedingungen welche der Phasen stabil ist.
Bild 1 : Phasendiagramm, idealisiert
Das idealisierte Phasendiagramm
Jedes Phasendiagramm hat die Grundstruktur des Diagramms in Bild 1. Man nennt es daher auch ein idealisiertes Phasendiagramm.
Auf der waagrechten Achse wird die Temperatur des Systems aufgetragen, auf der senkrechten Achse der Druck. 3 Linien trennen die Bereiche der festen, flüssigen und gasförmigen Phase. Die Trennlinie zwischen fester und flüssiger Phase verläuft immer fast gerade und sehr steil nach oben, die anderen beiden eher flach und gebogen.
Bild 2 : Phasendiagramm von Kohlendioxid, idealisiert
Beispiel Kohlendioxid
In Bild 2 ist das Phasendiagramm von Kohlendioxid abgebildet. Sehen wir uns einige Punkte darin an.
Am Punkt A ist die Temperatur niedriger als – 78,5 °C. Der Druck ist höher als 518.000 Pa, also höher als 5,18 bar. Unter diesen Bedingungen ist Kohlendioxid fest.
Der Punkt B beschreibt annähernd die Normalbedingungen, also einen Druck von einem Bar und eine Temperatur von 20 °C. Kohlendioxid ist unter diesen Bedingungen gasförmig. Um genau zu sein : Die gasförmige Phase ist unter diesen Bedingungen die thermodynamisch stabile. Bringt man festes Kohlendioxid (man kann es als Trockeneis kaufen) auf die Temperatur und den Druck des Punktes B, so wird es gasförmig. Dieser Vorgang wird einige Zeit dauern. Das System braucht also Zeit, bis sich der thermodynamisch stabile Zustand einstellt.
Am Punkt C beträgt der Druck 1,013 Bar bzw. 101.300 Pa und die Temperatur – 78,5 °C. Der Punkt C liegt genau auf der Trennlinie zwischen fester und gasförmiger Phase. Kohlendioxid ist unter diesen Bedingungen sowohl im festen als auch im gasförmigen (nicht aber im flüssigen) Zustand stabil. Beide Phasen stehen im Gleichgewicht. Es ist kein Zufall, dass Kohlendioxid bei dieser Temperatur und diesem Druck sublimiert, das heißt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht.
Der Punkt D ist dem Punkt C vergleichbar. Hier existieren flüssige und gasförmige Phase gemeinsam. Ändern sich die Bedingungen (Druck oder Temperatur) in der Nähe dieses Punktes ein wenig, geht Kohlendioxid vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über, oder umgekehrt.
Der Punkt T ist ein besonderer Punkt. Nur an diesem Punkt existieren alle 3 Phasen (die feste, flüssige und gasförmige) gemeinsam. Man nennt ihn Tripelpunkt.
Auch der Punkt K ist ein besonderer Punkt. Er heißt kritischer Punkt.
- mehr über Tripelpunkte – demnächst
- mehr über den kritischen Punkt – demnächst
Bild 3 : Phasendiagramm von Schwefel, idealisiert
komplexere Phasendiagramme
Viele Stoffe bilden mehrere feste Phasen. Das Phasendiagramm ist dann komplexer. Ein Beispiel dafür ist das Phasendiagramm von Schwefel (Bild 3). Neben der gasförmigen und der flüssigen Phase sind darauf 2 feste Phasen zu finden, die man nach ihrer Kristallstruktur rhombisch und monoklin nennt.
Auch in diesem Phasendiagramm finden Sie die Grundlemente aller Phasendiagramme wieder.
- Gebiete bestimmter Temperatur und bestimmten Drucks, in denen jeweils eine Phase stabil ist.
- Trennlinien zwischen den Phasen. Dort sind die beiden angrenzenden Phasen stabil und können gemeinsam existieren.
- Tripelpunkte, an denen die 3 angrenzenden Phasen gemeinsam existieren. Im Phasendiagramm des Schwefels sehen Sie die 3 Tripelpunkte T1, T2 und T3.
Das Phasendiagramm in Bild 3 ist nicht maßstäblich. Das ist bei komplexen Phasendiagrammen die Regel. Temperatur– und besonders Druckwerte erstrecken sich über mehrere Größenordnungen und würden ein maßstäbliches Diagramm unlesbar machen.
Phasendiagramme und Phasen im Projekt
Von diesen Stoffen finden Sie im Projekt „Die Struktur der Stoffe” ein Phasendiagramm.
Von diesen Stoffen werden im Projekt „Die Struktur der Stoffe” mehrere feste Phasen erwähnt.
- Kohlenstoff : Diamant, Graphit
- Schwefel
- Iod
- Silberiodid
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