Phasendiagramme von Reinstoffen

Phasendiagramm von Reinstoffen

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 Aggregatzustände, sondern stellen einen räumlichen Bereich dar, in dem die physikalischen Parameter und die chemische Zusammensetzung homogen ist.

Am bekanntesten sind Druck-Temperatur-Diagramme ($p$-$T$-Phasendiagramme) von reinen Stoffen. Diese stellen den Aggregatzustand des jeweiligen Stoffs in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck dar. Solch ein Phasendiagramm sieht zum Beispiel folgendermaßen aus:

Im oberen linken Teil findest du den festen Aggregatzustand. Daneben befindet sich der Bereich, in dem der Stoff flüssig ist. Im unteren Bereich ist der Stoff gasförmig. Die drei 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 genau auf dieser Kurve, kann nicht eindeutig zugeordnet werden, in welcher Phase er sich genau befindet. Hier findet das Schmelzen bzw. Erstarren statt.
• Die Linie zwischen flüssig und gasförmig ist die Siedepunktkurve. Hier finden das Verdampfen und die Kondensation statt.
• Die Linie zwischen fest und gasförmig ist die Sublimationsdruckkurve. Hier laufen die Sublimation und die Resublimation ab.
• Die gesamte Linie zur Gasphase hin wird als Dampfdruckkurve bezeichnet.
• Der Schnittpunkt der drei Kurven ist der Tripelpunkt. In diesem Punkt liegt ein Gleichgewicht zwischen allen drei Phasen vor.
• Außerdem gibt es den kritischen Punkt, der sich am Ende der Siedepunktkurve befindet. An diesem Punkt sind die flüssige und die gasförmige Phase nicht mehr unterscheidbar.

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 und der gasförmigen Phase annähern.
In diesem Zustand zerfallen auch häufig vorhandene Molekülverbindungen und Atome geben einen Teil ihrer Elektronen ab und werden dadurch ionisiert. Diesen Zustand nennt man dann Plasma – dieser wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet.

Auch in der Biologie und in der Medizin gibt es den Begriff Plasma. Dieser beschreibt aber dort etwas anderes, nämlich die klaren Bestandteilen des Bluts: das Blutplasma.

Plasma ist für technische und physikalische Anwendungen von Interesse. Man benötigt es zum Beispiel bei der heißen Kernfusion. Auch die Sonne stößt ständig Plasma aus. Im Alltag wirst du aber wohl kaum auf Plasma treffen.

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. Das sind Mehrstoffsysteme, die ein etwas anderes Verhalten und damit auch andere Diagramme zeigen als die reinen Stoffe, aus denen sie zusammengesetzt sind.

Das Phasendiagramm verdeutlicht außerdem das Prinzip der Gasverflüssigung:
Gase wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid können bei Raumtemperatur in flüssiger Form in Gasflaschen aufbewahrt werden, weil sie dort unter sehr hohem Druck stehen.

Phasendiagramm von Wasser

Das Phasendiagramm von Wasser ist wohl das bekannteste Phasendiagramm. Es zeigt ganz klar den Aggregatzustand, in dem sich Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken befinden kann.

So ist erkennbar, welchen Vorteil ein Dampfkochtopf bringt: Aus dem Diagramm kannst du entnehmen, dass, wenn der Druck über den Atmosphärendruck (entlang der $y$-Achse) erhöht wird, auch die Siedetemperatur (entlang der -Achse) steigt. Das heißt, dass das kochende Wasser unter höherem Druck eine höhere Temperatur als $100\,^\circ\text{C}$ erreichen kann und Speisen damit schneller gegart werden können.

Der umgekehrte Effekt ist auf einem hohen Berg zu beobachten: Weil dort der Luftdruck geringer ist, kann man Wasser dort schon bei deutlich geringeren Temperaturen als $100\,^\circ\text{C}$ kochen, also zum Sieden bringen. Man benötigt also weniger Energie für eine Tasse Tee.

Der besondere Unterschied des Phasendiagramms von Wasser zu denen der meisten anderen Stoffe ist die Schmelzdruckkurve. Sie hat bei Wasser einen negativen Anstieg – während dieser bei anderen Stoffen positiv ist. Das bedeutet, Eis kann bei gleichbleibender Temperatur durch die Erhöhung des Drucks geschmolzen werden.
Dies hängt zusammen mit der Dichteanomalie des Wassers, die auf die starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen zurückgeht.
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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