Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.01.16


Phasendiagramme

Vortrag von Julia Jakob im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 12/13


Gliederung:


Problem. Ein großer Iodkristall wurde über Nacht in einem offenen Gefäß einfach kleiner. Wieso kann der das? Er ist gar nicht geschmolzen.


Abb. 1: Iodkristall [1]


Aggregatzustände von Reinstoffen

Reinstoffe liegen immer in drei verschiedenen Aggregatzuständen vor: fest, flüssig und gasförmig. Sie sind durch Veränderung von Druck und/oder Temperatur ineinander umwandelbar. In Abbildung 2 sind die Aggregatzustände (oder Phasen) eines Reinstoffs in einem Diagramm dargestellt.


Abb. 2: Aggregatzustände eines Reinstoffs

2 Der Aufbau eines Phasendiagramms am Beispiel Iod

Die Abbildung von Aggregatzuständen (Phasen) erfolgt mit Hilfe von Phasendiagrammen. Dies ist die Darstellung eines Reinstoffs im Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Phasen im geschlossenen System.

Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Phasendiagramms am Beispiel Iod.


Abb. 3: Phasendiagramm von Iod

Beschreibung des Phasendiagramms:

Die drei Flächen sind die Einphasengebiete. In diesen Flächen liegt der Reinstoff Iod immer nur in jeweils einer Phase vor. Sie beschreiben die Phasen fest, flüssig und gasförmig.

Die drei Linien (Koexistenzlinien) entsprechen den Zweiphasengebieten. Auf diesen Linien liegt der Reinstoff Iod immer gleichzeitig in zwei verschiedenen Phasen vor. Die Koexistenzlinien gliedern sich auf in die Sublimationskurve, die den Phasenübergang von fest nach gasförmig beschreibt, die Schmelzkurve, die den Phasenübergang von fest nach flüssig beschreibt und die Dampfdruckkurve, die den Phasenübergang von flüssig nach gasförmig beschreibt.

Der Tripelpunkt entspricht einem Dreiphasengebiet. An diesem Punkt liegt der Reinstoff Iod immer gleichzeitig in allen drei Phasen im Gleichgewicht vor. Der Tripelpunkt von Iod liegt bei 385 °K und 12600 Pa.

Der kritische Punkt ist der Punkt an dem nur noch eine Phase existiert, da durch das Angleichen der Dichte der flüssigen und der gasförmigen Phase die Unterschiede zwischen den Phasen verschwinden. Der kritische Punkt von Iod liegt bei 1058 °K und 12 MPa.


3 Die Clapeyron-Gleichung

Mathematische Berechnung der Steigung der drei Koexistenzlinien:

Auf den Koexistenzlinien liegen zwei Phasen im Gleichgewicht vor. Das heißt sie haben gleiche chemische Potentiale μ:

Bei jeder Veränderung, gilt für (1): Die Änderung der chemischen Potentiale dμ ist gleich:

Aus der Gibbs-Duhem-Gleichung ist der Zusammenhang zwischen der Änderung der chemischen Potentiale der Komponenten eines thermodynamischen Systems bekannt:

Sm = molare Entropie, Vm = molares Volumen, dT = Änderung Temperatur, dp = Änderung Druck

Einsetzen der Gibbs-Duhem-Gleichung (3) in (2):

Durch Ausklammern von dp und dT und Umformen erhält man die Clapeyron-Gleichung:


Zusammenfassung. Phasendiagramme geben Auskunft, bei welchem Druck und bei welcher Temperatur ein Reinstoff als eine bestimmte Phase vorliegt.

Die Koexistenzlinien werden mathematisch durch die Clapeyron-Gleichung beschrieben.

Durch Veränderung von Druck und/oder Temperatur finden Phasenübergänge zwischen den Phasen statt.

Der Iodkristall ist über Nacht sublimiert. Es findet dabei ein Phasenübergang von fest nach gasförmig statt.


Literatur

  1. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Iod_kristall.jpg, Lizenz: gemeinfrei; Urheber: Tomihahndorf; 19.03.2014.
  2. Engel, Thomas; Reid, Phillip: Physikalische Chemie, Pearson Studium, München 2006.
  3. Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure, Spektrum Akademischer Verlag, München 2006.
  4. http://www.periodictableontheweb.com/periodensystem/element-Iodine.php, 02.04.2014.
  5. Müller, Ulrich: Anorganische Strukturchemie, Vieweg + Teubner / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009.
  6. http://de.wikipedia.org/wiki/Clapeyron-Gleichung, 26.11.2012.
  7. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/gibbs_phasenregel/
    gibbs_phasenregel.htm, 26.11.2012.
  8. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/clausius/
    clausius-clapeyron-gleichung.htm, 26.11.2012.

    E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 18.01.16