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Phasendiagramm reiner Stoffe

Phasendiagramme stellen Zustände und deren zugehörige Phasen in Abhängigkeit von Zustandsgrößen, wie dem Druck, der Temperatur, und dem Volumen dar. Phasen sind in diesem Zusammenhang nicht nur die Aggregatszustände, sondern stellen einen räumlichen Bereich dar, in welchem die physikalischen Parameter und die chemische Zusammensetzung homogen ist. Am bekanntesten sind Druck-Temperatur-Diagramme von reinen Stoffen. Diese stellen den Aggregatszustand der jeweiligen Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck dar. Solch ein Phasendiagramm sieht folgendermaßen aus.

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Im oberen linken Teil findest du den festen Aggregatszustand. Daneben befindet sich der Bereich in dem der Stoff flüssig ist. Im unteren Bereich ist der Stoff gasförmig. Die 3 Phasen sind durch Linien voneinander abgegrenzt. Diese Linien bezeichnen einen Phasenübergang. Die Linie zwischen fest und flüssig ist die Schmelzdruckkurve. Befindet sich der Stoff mit der Temperatur und dem Druck auf dieser Kurve kann nicht eindeutig zugeordnet werden in welcher Phase er sich genau befindet. Hier findet das Schmelzen und Erstarren statt. Die Linie zwischen flüssig und gasförmig ist die Siedepunktskurve. Hier findet das Verdampfen und Kondensieren statt. Die Linie zwischen fest und gasförmig ist die Sublimationsdruckkurve. Hier läuft die Sublimation und die Resublimation ab. Die gesamte Linie zur Gasphase hin wird als Dampfdruckkurve bezeichnet. Der Schnittpunkt der 3 Kurven ist der Tripelpunkt. In diesem Punkt liegt ein Gleichgewicht zwischen allen 3 Phasen vor. Des weiteren gibt es den kritischen Punkt, der sich am Ende der Siedepunktskurve befindet.

Plasma – ein vierter Aggregatzustand

Ab dem kritischen Punkt hören die Unterschiede zwischen der Gasphase und der flüssigen Phase auf zu existieren, da sich hier die Dichten der flüssigen Phase wie auch die gasförmige Phase annähern. In diesem Zustand zerfallen auch häufig vorhandene Molekül-Verbindungen und Atome geben einen Teil ihre Elektronen ab und werden dadurch ionisiert. Diesen Zustand nennt man dann Plasma, dieser wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Auch in der Biologie und Medizin gibt es den Begriff Plasma, dieser beschreibt aber dort etwas Anderes, die klaren Bestandteilen des Blutes, das Blutplasma.

Plasma ist eher für technische und physikalische Anwendungen von Interesse. Man benötigt es zum Beispiel bei der heißen Kernfusion. Auch die Sonne stößt ständig Plasma aus.

Anwendungen von Phasendiagrammen

Phasendiagramme werden häufig in der Chemie und der Physik genutzt. Eine wichtige Rolle spielen sie auch in der Materialwissenschaft. Hauptsächlich werden sie für Lösungen und Legierungen erstellt. Dies sind Mehrstoffsysteme, die andere Diagramme zeigen als die reinen Stoffe aus denen sie zusammengesetzt sind.

Legierungen

Phasendiagramm von Wasser

Das Phasendiagramm von Wasser ist wohl das bekannteste seiner Art. Es zeigt ganz klar den Aggregatszustand in dem sich Wasser bei gegebener Temperatur und Druck befindet.

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So ist erkennbar welchen Vorteil ein Dampfkochtopf bringt. Aus dem Diagramm kannst du entnehmen, dass wenn der Druck über den Atmosphärendruck (y-Achse) erhöht wird, auch die Siedetemperatur (x-Achse) steigt. So hat das kochende Wasser eine höhere Temperatur und Speisen können schneller gegart werden.

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Der signifikante Unterschied des Phasendiagramms von Wasser zu denen der meisten anderen Stoffe ist die Schmelzdruckkurve. Sie hat bei Wasser einen negativen Anstieg, wobei dieser bei anderen Stoffen positiv ist. Das bedeutet Eis kann bei der selben Temperatur durch die Erhöhung des Drucks geschmolzen werden. Dies hängt zusammen mit der Dichteanomalie des Wassers und ist begründet in den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen. Aufgrund dieser Anomalie ist Schlittschuhfahren überhaupt erst möglich. Durch den Druck der Kufen schmilzt das Eis und lässt einen Gleitfilm aus Wasser entstehen. Ist der Druck wieder weg gefriert es erneut.

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Videos und Übungen in Phasendiagramme

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