11.13: Phasendiagramme

Ein Phasendiagramm kombiniert Diagramme von Druck und Temperatur für die Flüssig-Gas-, Fest-Flüssig- und Fest-Gas-Phasenübergangsgleichgewichte einer Substanz. Diese Diagramme zeigen die Aggregatzustände, die unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen vorliegen und liefern auch die Druckabhängigkeit der Phasenübergangstemperaturen (Schmelzpunkte, Sublimationspunkte, Siedepunkte). Regionen oder Bereiche, die mit fest, flüssig und gasförmig beschriftet sind, stellen einzelne Phasen dar, während Linien oder Kurven zwei Phasen darstellen, die im Gleichgewicht koexistieren (oder Phasenwechselpunkte). Der Tripelpunkt gibt die Druck- und Temperaturbedingungen an, unter denen alle drei Phasen nebeneinander existieren. Im Gegensatz dazu gibt ein kritischer Punkt die Temperatur und den Druck an, oberhalb derer eine einzelne Phase existiert, deren physikalische Eigenschaften zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Zustand liegen.

Abbildung 1. Ein typisches Phasendiagramm.

Ein Phasendiagramm gibt den Aggregatzustand eines Stoffes unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen an. Um den Nutzen dieser Diagramme zu veranschaulichen, betrachten Sie das unten gezeigte Phasendiagramm von Wasser.

Abbildung 2. Phasendiagramm von Wasser.

Ein Druck von 50 kPa und eine Temperatur von −10 °C entsprechen dem Bereich des Diagramms, der als “Eis” bezeichnet ist. Unter diesen Bedingungen existiert Wasser nur als Feststoff. Ein Druck von 50 kPa und eine Temperatur von 50 °C entsprechen dem Bereich, in dem Wasser nur in flüssiger Form vorliegt. Bei 25 kPa und 200 °C existiert Wasser nur im gasförmigen Zustand. Die Kurve BC ist die Flüssig-Dampf-Kurve, die den flüssigen und den gasförmigen Bereich des Phasendiagramms trennt und den Siedepunkt für Wasser bei beliebigem Druck angibt. Bei 1 atm beträgt der Siedepunkt beispielsweise 100 °C. Beachten Sie, dass die Flüssigkeits-Dampf-Kurve bei einer Temperatur von 374 °C und einem Druck von 218 atm endet, was darauf hinweist, dass Wasser oberhalb dieser Temperatur unabhängig vom Druck nicht als Flüssigkeit existieren kann. Die physikalischen Eigenschaften von Wasser liegen unter diesen Bedingungen zwischen denen seiner flüssigen und gasförmigen Phase. Dieser einzigartige Materiezustand wird als überkritisches Fluid bezeichnet. Die Fest-Dampf-Kurve mit der Bezeichnung AB gibt die Temperaturen und Drücke an, bei denen sich Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht befinden. Diese Temperatur-Druck-Datenpaare entsprechen den Sublimations- oder Abscheidungspunkten für Wasser.

Die Fest-Flüssig-Kurve mit der Bezeichnung BD zeigt die Temperaturen und Drücke, bei denen sich Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht befinden, und stellt die Schmelz-/Gefrierpunkte für Wasser dar. Beachten Sie, dass diese Kurve eine leichte negative Steigung aufweist, was darauf hindeutet, dass der Schmelzpunkt für Wasser mit steigendem Druck leicht abnimmt. Wasser ist in dieser Hinsicht eine ungewöhnliche Substanz, da die meisten Substanzen mit zunehmendem Druck einen Anstieg des Schmelzpunkts aufweisen. Der Schnittpunkt aller drei Kurven – mit B bezeichnet – ist der Tripelpunkt des Wassers, an dem alle drei Phasen im Gleichgewicht koexistieren. Bei Drücken unterhalb des Tripelpunkts kann Wasser nicht als Flüssigkeit existieren, unabhängig von der Temperatur.

Betrachten Sie das Phasendiagramm für Kohlendioxid als weiteres Beispiel.

Abbildung 3. Phasendiagramm von Kohlendioxid.

Die Fest-Flüssig-Kurve weist eine positive Steigung auf, was darauf hindeutet, dass der Schmelzpunkt für CO₂ mit dem Druck ansteigt, wie dies bei den meisten Substanzen der Fall ist. Beachten Sie, dass der Tripelpunkt weit über 1 atm liegt, was darauf hinweist, dass Kohlendioxid unter Umgebungsdruckbedingungen nicht als Flüssigkeit existieren kann. Stattdessen führt das Abkühlen von gasförmigem Kohlendioxid bei 1 atm zu seiner Ablagerung in den Festkörper. Ebenso schmilzt festes Kohlendioxid nicht bei einem Druck von 1 atm, sondern sublimiert zu gasförmigem CO₂. Schließlich wird der kritische Punkt für Kohlendioxid bei einer relativ geringen Temperatur und einem relativ geringen Druck im Vergleich zu Wasser beobachtet.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 10.4: Phasendiagramme.