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Phasendiagramme werden auch als Zustandsdiagramme bezeichnet. Sie stellen die Übergänge zwischen den einzelnen Aggregatzuständen in Abhängigkeit von der Temperatur und des Drucks dar.
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Das bekannteste Phasendiagramm stellt die unterschiedlichen Übergänge von Wasser dar. Anhand dieses Diagramms kannst du auch Eigenschaften wie den Siede- oder Schmelzpunkt ablesen. Es wird in den meisten Fällen in ein kartesisches Koordinatensystem übertragen, um das Ablesen zu erleichtern.
Abbildung 1: Phasendiagramm des Wassers Quelle: wikipedia.org
Der Normaldruck, der bei einer Höhenlage von 0 m über Normal Null (N.N.) liegt, beträgt 1 bar. Unter diesen Bedingungen hat Wasser den Schmelzpunkt bei einer Temperatur von 0 °C. Der Siedepunkt hingegen liegt bei 100 °C. du kennst diese Werte sicherlich aus den Lehrbüchern.
Beide Punkte siehst du auf der Kurve als Schnittpunkte mit zwei schwarzen Strichen, die von einem sogenannten Tripelpunkt ausgehen. Die Linie zwischen Eis und Wasser selbst stellt die Schmelzkurve dar, während die Linie zwischen Wasser und Wasserdampf die Siedekurve repräsentiert.
Zwischen Eis und Wasserdampf liegt die Sublimationskurve. Der flüssige Zustand wird unter diesen Bedingungen direkt übersprungen.
Das Beispiel des Wassers zeigt ein Ein-Komponenten-System, das heißt, in dem Diagramm wird nur das entsprechende Verhalten von Wasser dargestellt.
Der Ursprung der drei Kurven, die du im Phasendiagramm siehst, wird Tripelpunkt genannt. An diesem Punkt existieren alle drei Aggregatzustände im Gleichgewicht. Im Fall von Wasser liegt er bei 0,01 °C und einem Druck von 0,61 mbar. Wie du siehst, ist das Diagramm in diesem Fall nicht maßstabsgetreu. Es soll lediglich den Verlauf der Kurve darstellen.
Ein weiterer markanter Punkt in dem Diagramm liegt bei 374 °C und einem Druck von 221 bar. An diesem Punkt liegen flüssiger und gasförmiger Aggregatzustand im Gleichgewicht vor. Oftmals wird die Siedekurve danach nicht mehr angezeigt, da es nicht mehr möglich ist, eine klare Trennung zu erreichen. Auch in der Abbildung 1 endet die Kurve hier.
Neben den Aggregatzuständen kann es vorkommen, dass du auch andere Linien im Phasendiagramm findest. Dadurch werden entsprechende Besonderheiten der Elemente dargestellt.
Die Curie-Temperatur gibt an, ab welcher Temperatur ein Stoff seine magnetischen Eigenschaften verliert. Dieser Prozess ist reversibel. Für Eisen liegt er beispielsweise bei 768°C.
Mithilfe des Phasendiagramms kann nun abgelesen werden, welchen Aggregatzustand ein Stoff unter den entsprechenden Bedingungen hat. Die jeweiligen Daten wurden experimentell ermittelt und können nun dafür verwendet werden, um die Bedingungen für weitere Experimente mit dem entsprechenden Stoff im Voraus zu bestimmen.
Gleichzeitig lassen sich anhand des Diagramms noch weitere Eigenschaften bestimmen.
Abbildung 2: Allgemeiner Aufbau des Phasendiagramms Quelle: chemgapedia.de
In beiden Diagrammen, die du nun gesehen hast, zeigt die Schmelzkurve einen Temperaturabfall bei steigendem Druck. Diese Neigung zeigt den Fall, dass ein Stoff sich beim Übergang in den festen Zustand ausdehnt. Ein Beispiel dafür ist Wasser. Wie du sicherlich weißt, hat es ein zunehmendes Volumen im festen Zustand. Diese Eigenschaft verbindet sich mit der Anomalie von Wasser.
Weitere Beispiele für dieses Verhalten sind Gallium und Bismut. Bei den meisten weiteren Verbindungen oder Reinstoffen verläuft die Kurve eher in Richtung des kritischen Punkts. Das Volumen nimmt beim Übergang zum festen Zustand folglich ab.
Abbildung 3: Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid Quelle: ingenieurkurse.de
Die Abbildung 3 zeigt dir nun den üblichen Verlauf der Schmelzkurve im Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid. Die Siedekurve wird hier auch als Dampfdruckkurve bezeichnet.
Mehrstoffsysteme sind deutlich schwieriger darzustellen, da der Aggregatzustand abhängig ist von der Zusammensetzung des Gemischs sowie zahlreichen weiteren Faktoren, die sich in einem Diagramm nicht darstellen lassen. Daher wird oftmals "nur" das Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm verwendet.
Abbildung 4: Aufbau eines Mehrstoff-Phasendiagramms Quelle: wikipedia.org
Das Besondere bei diesen Gemischen ist das Existieren eines Koexistenzgebiets. In der Abbildung 4 ist dieser Bereich weiß eingefärbt.
Die Spitzen liegen jeweils auf den Konzentrationen von jeweils 100 % eines Stoffes. Das heißt konkret, dass der Reinstoff die Siedetemperatur bestimmt. Dazwischen liegt jedoch ein großer Bereich, der abhängig davon ist, wie der Stoff zusammengesetzt ist.
Die Taupunktkurve gibt dabei an, wann das Gemisch von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand wechselt. Die Siedepunktkurve hingegen liegt deutlich tiefer und gibt an, wann der Stoff von einem flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt.
Eine wichtige Anwendung dieser Koexistenzgebiete ist die Destillation. Oftmals wird ein solches Diagramm verwendet, um die richtige Temperatur einzustellen, um den gewünschten Stoff herauszudestillieren.
Während in der Abbildung nur die Koexistenzgebiete von flüssig zu gasförmig dargestellt werden, gibt es sie jedoch auch bei fest und flüssig. Die Darstellung erfolgt auf die gleiche Art und Weise mit der Gefrierpunktkurve bzw. Schmelzkurve.
Diese Koexistenzgebiete spielen eine wichtige Rolle, wenn es um Zonenschmelzverfahren geht, bei denen nicht der gesamte Stoff eingeschmolzen werden soll. Das Ziel ist dabei die Herstellung von hochreinen, einkristallinen Werkstoffen.
In einem Mehrstoffsystem existiert die Gibb'sche Phasenregel. Diese berechnet die Freiheitsgrade der Zustandsgrößen. Konkret bedeutet das, dass somit ermittelt wird, wie viele Phasen parallel maximal existieren können. Es ergibt sich:
F = Freiheitsgrade
K = Anzahl der Komponenten des Gemischs
P = Anzahl der koexistierenden Phasen
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Was kann man aus einem Phasendiagramm ablesen?
Das Phasendiagramm zeigt die unterschiedlichen Aggregatzustände unter den Bedingungen Druck und Temperatur. Anhand der jeweiligen Bedingungen kann abgelesen werden, wann die Übergänge zwischen fest und flüssig, flüssig und gasförmig oder gasförmig und fest stattfinden. Am Tripelpunkt existieren alle Aggregatzustände im Gleichgewicht.
Was ist der Tripelpunkt?
Der Tripelpunkt markiert den Druck und die entsprechende Temperatur, bei der ein Stoff in allen Aggregatzuständen im Gleichgewicht vorkommt.
Was sagt die Gibbs'sche Phasenregel aus?
Die Gibbs'sche Phaseregel sagt aus, wie viele Freiheitsgrade die Zustandsgrößen haben. Sie gibt Aussagen darüber, wie viele Phasen parallel nebeneinander existieren können.
In welchem Aggregatzustand liegt ein reiner Stoff am Tripelpunkt vor?
Am Tripelpunkt liegt ein Reinstoff in allen Aggregatzuständen vor (fest, flüssig und gasförmig). Die Besonderheit dieses Punkts liegt darin, dass alle Aggregatzustände sich miteinander im Gleichgewicht befinden.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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