11.13: Phasendiagramme

Ein Phasendiagramm kombiniert Druck-Temperatur-Diagramme für die Flüssig-Gas-, Fest-Flüssigkeits- und Fest-Gas-Phasenübergangsgleichgewichte einer Substanz. Diese Diagramme zeigen die physikalischen Zustände an, die unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen vorliegen, und geben außerdem die Druckabhängigkeit der Phasenübergangstemperaturen (Schmelzpunkte, Sublimationspunkte, Siedepunkte) an. Mit „Feststoff“, „Flüssigkeit“ und „Gas“ gekennzeichnete Bereiche oder Bereiche stellen einzelne Phasen dar, während Linien oder Kurven zwei im Gleichgewicht nebeneinander existierende Phasen (oder Phasenübergangspunkte) darstellen. Der Tripelpunkt gibt Druck- und Temperaturbedingungen an, bei 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 identifiziert den physikalischen Zustand einer Substanz unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen. 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 mit „Eis“ bezeichneten Bereich des Diagramms. Unter diesen Bedingungen liegt Wasser nur als Feststoff vor. Ein Druck von 50 kPa und eine Temperatur von 50 °C entsprechen dem Bereich, in dem Wasser nur als Flüssigkeit vorliegt. Bei 25 kPa und 200 °C liegt Wasser nur im gasförmigen Zustand vor. Kurve BC ist die Flüssigkeits-Dampf-Kurve, die die flüssigen und gasförmigen Bereiche des Phasendiagramms trennt und den Siedepunkt von Wasser bei jedem 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 Aggregatzustand wird als überkritische Flüssigkeit bezeichnet. Die mit AB bezeichnete Feststoff-Dampf-Kurve gibt die Temperaturen und Drücke an, bei denen Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht sind. Diese Temperatur-Druck-Datenpaare entsprechen den Sublimations- oder Ablagerungspunkten für Wasser.

Die mit BD bezeichnete Fest-Flüssigkeits-Kurve zeigt die Temperaturen und Drücke, bei denen Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht sind, und stellt die Schmelz-/Gefrierpunkte von Wasser dar. Beachten Sie, dass diese Kurve eine leicht negative Steigung aufweist, was darauf hindeutet, dass der Schmelzpunkt von Wasser mit zunehmendem Druck leicht abnimmt. Wasser ist in dieser Hinsicht ein ungewöhnlicher Stoff, da die meisten Stoffe mit steigendem 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 unabhängig von der Temperatur nicht als Flüssigkeit existieren.

Betrachten Sie als weiteres Beispiel das Phasendiagramm für Kohlendioxid.

Abbildung 3. Phasendiagramm von Kohlendioxid.

Die Fest-Flüssigkeits-Kurve weist eine positive Steigung auf, was darauf hindeutet, dass der Schmelzpunkt von CO₂ wie bei den meisten Substanzen mit dem Druck ansteigt. Beachten Sie, dass der Tripelpunkt deutlich über 1 atm liegt, was darauf hinweist, dass Kohlendioxid unter Umgebungsdruckbedingungen nicht als Flüssigkeit vorliegen kann. Stattdessen führt die Abkühlung von gasförmigem Kohlendioxid auf 1 atm zu seiner Abscheidung im festen Zustand. Ebenso schmilzt festes Kohlendioxid bei 1 atm Druck nicht, sondern sublimiert zu gasförmigem CO₂. Schließlich wird der kritische Punkt für Kohlendioxid im Vergleich zu Wasser bei relativ moderaten Temperaturen und Drücken beobachtet.

Dieser Text wurde adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section 10.4: Phase Diagrams

Kohlendioxid kann als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas unter bestimmten Temperaturen und Drücken vorliegen. Diese Abhängigkeit wird in einem Phasendiagramm abgebildet, das drei allgemeine Merkmale enthält: Regionen, Linien und Punkte.

Regionen stellen die Temperatur- und Druckbedingungen für eine einzelne Phase dar. Bei Normaldruck kann Kohlendioxid je nach Temperatur fest oder gasförmig sein.

Wenn bei einem Druck unter 5,1 atm die Temperatur von festem Kohlendioxid angehoben wird, geht es direkt in die gasförmige Phase über, ohne die flüssige Form zu passieren.

Ein Übergang durch alle drei Phasen – fest zu flüssig und flüssig zu gasförmig – erfolgt bei Drücken über 5,1 atm.

Die Linien oder Kurven, die die Regionen voneinander trennen, bezeichnen die Temperaturen und Drücke, bei denen sich die Phasen auf beiden Seiten der Kurve im Gleichgewicht befinden.

Zum Beispiel liegt der Punkt bei 1 atm und -78,5 °C auf der Kurve, die die feste und die Dampfphase trennt, so dass unter diesen Bedingungen ein Fest-Dampf-Gleichgewicht besteht. Dementsprechend wird dies als Sublimationskurve bezeichnet.

In ähnlicher Weise existiert das Flüssig-Gas-Gleichgewicht auf der Verdampfungskurve und das Fest-Flüssig-Gleichgewicht auf der Fusionskurve. Diese Kurven sind allgemein als Phasengrenzen bekannt.

Bei 5,1 atm und -56,6 °C koexistieren alle drei Phasen. Dies ist der Tripelpunkt des Kohlendioxids.

Bei 73 atm und 31 °C verschmelzen sowohl die flüssige als auch die dampfförmige Phase von Kohlendioxid zu einer einphasigen überkritischen Flüssigkeit. Dies ist der kritische Punkt von Kohlendioxid.

Im Bereich jenseits des kritischen Punktes kann keine Druck- oder Temperaturänderung ein überkritisches Fluid in ein Gas oder eine Flüssigkeit umwandeln.

Das Phasendiagramm von Wasser unterscheidet sich deutlich von dem von Kohlendioxid.

Die Fusionskurve von Kohlendioxid hat eine positive Steigung, während sie für Wasser negativ ist. Dies ist eine untypische Eigenschaft des Wassers. Eine Erhöhung des Drucks begünstigt einen Übergang von Flüssigkeit zu Fest bei Kohlendioxid, aber einen Übergang von Fest zu Flüssigkeit in Wasser.

Der höhere Druck begünstigt die dichtere feste Form des Kohlendioxids. Bei Wasser wird die dichtere flüssige Form bevorzugt