Phasenübergänge

Substanzen liegen in der Regel in einer von drei Phasen vor: fest, flüssig oder gasförmig. Der Übergang von einer Phase in eine andere verändert erheblich, wie geordnet und fest gehalten die Moleküle sind.

Moleküle wechseln zwischen verschiedenen Phasen, wenn ihre innere Energie es ihnen erlaubt, sich in einem der beiden Zustände zu befinden. Dies hängt von Faktoren wie der Stärke der intermolekularen Kräfte im stärker verdichteten Zustand und dem Druck ab, der auf die Substanz ausgeübt wird.

Die Temperatur ist eine Reflexion der inneren Energie, daher werden Phasenübergangspunkte oft in Bezug auf die Temperatur bei einem bestimmten Druck beschrieben.

Vergleichen Sie zum Beispiel Wasser und Aceton. Während Wasser starke Wasserstoffbrückenbindungen aufweist, weisen Acetonmoleküle schwache Dipol-Dipol-Kräfte auf.

Durch die stärkeren Anziehungskräfte wird mehr Wärme benötigt, um Wasser in Dampf umzuwandeln. Dies erklärt, warum der Siedepunkt von Aceton bei einem bestimmten Druck niedriger ist als der von Wasser.

Phasenübergänge erfolgen Molekül für Molekül, so dass die Phasen während des Übergangs nebeneinander existieren.

Bis der Übergang des Volumens abgeschlossen ist, ändert sich die Temperatur nicht, obwohl Wärme zum oder vom Stoff fließt.

Eine ähnliche Beobachtung wird gemacht, wenn dem Wasser Wärme zugeführt wird. Die Temperatur des Wassers steigt an, bis es seinen Siedepunkt erreicht, an dem die beiden Phasen - flüssig und gasförmig - nebeneinander existieren. Durch zusätzliches Erhitzen wird die Temperatur des flüssigen Wassers nicht über den Siedepunkt hinaus erhöht. Stattdessen bewirkt es nur ein schnelleres Sieden.

Die Energieänderung, die erforderlich ist, damit ein Mol einer Substanz diesen Übergang vollständig durchläuft, ohne dass sich die Temperatur ändert, wird als molare Wärme oder molare Enthalpie dieses Übergangs bezeichnet.

Wenn eine Substanz Wärme absorbiert, um einen Übergang zu durchlaufen, ist die Enthalpie des Übergangs positiv, was ihn zu einem endothermen Prozess macht. Übergänge, bei denen der Stoff Wärme verliert, haben negative Enthalpiewerte und sind damit exotherm.

Wird eine Substanz in einem geschlossenen System an einem Übergangspunkt gehalten, erreichen die gegensätzlichen Übergangsprozesse einen Zustand des dynamischen Gleichgewichts.