Phasendiagramm-Definition

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Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung der verschiedenen Zustände des thermodynamischen Gleichgewichts eines Systems unter verschiedenen Bedingungen. Diese Art von Diagramm ermöglicht es uns unter anderem, die Phasen vorherzusagen, die unter bestimmten Bedingungen vorhanden sind, sowie den Anteil, in dem jede Phase gefunden wird, und ihre Zusammensetzung im Fall von binären Mischungen oder komplexeren Mischungen .

Arten von Phasendiagrammen

Zustandsschaubilder einzelner Komponenten (Reinstoffschaubilder)

Diese Diagramme zeigen die verschiedenen Phasen bzw. Aggregatzustände, in denen sich ein Reinstoff bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckwerten befinden kann. Diese Phasendiagramme können sehr komplex werden, insbesondere in der festen Phase, wo Temperatur- und Druckbedingungen die Bildung mehrerer verschiedener Kristallstrukturen mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften begünstigen können .

Die typische Form eines Phasendiagramms für einen reinen Stoff ist unten dargestellt:

Phasendiagramm-Definition
Typisches Phasendiagramm einer reinen Substanz wie Wasser.

Zwei Beispiele für typische Zustandsdiagramme einer reinen Substanz sind die von elementarem Kohlenstoff und Helium, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind. Kohlenstoff , ein Nichtmetall , kann in verschiedenen festen Allotropen (Graphit und Diamant) vorkommen; Es kann auch in flüssigem und gasförmigem Zustand auftreten. Im Falle von Helium ist dies ein Gas, das sich nicht leicht verflüssigen lässt.

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Phasendiagramme binärer Systeme (Zweikomponentendiagramme)

Binäre Phasendiagramme bestehen aus einer grafischen Darstellung der Phasen, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen oder bei unterschiedlichen Drücken in einem System aus zwei Komponenten (binäres System) in Abhängigkeit von der Gesamtzusammensetzung des Systems (normalerweise dargestellt auf der X-Achse) bilden. .

Abhängig von den jeweiligen Komponenten der Mischung können diese Systeme zu unterschiedlichen Arten von Phasendiagrammen führen. In einigen dieser Diagramme bilden sich getrennte Phasen der reinen Komponenten in unterschiedlichen Aggregatzuständen (fest, flüssig oder gasförmig), während in anderen Fällen homogene Phasen beider Komponenten gebildet werden.

Nachfolgend sind zwei binäre Phasendiagramme dargestellt. Ersteres ist ein Beispiel für ein binäres System, das ein eutektisches Gemisch bildet, während letzteres dies nicht tut.

Phasendiagramm-Definition

Phasendiagramm-Definition

Phasendiagramme ternärer Systeme (Diagramme von drei Komponenten)

In diesen Diagrammen wird ein Dreieck verwendet, um auf jeder Seite die Zusammensetzung jedes der drei binären Systeme darzustellen, die zwischen drei Komponenten gebildet werden können. Jeder Punkt innerhalb des Dreiecks repräsentiert ein ternäres System bestimmter Zusammensetzung.

In diesen Fällen sollte die Konzentration jeder Spezies entweder als Mol- oder Massenbruch (um sicherzustellen, dass sich alle Brüche zu 1 summieren) oder als Prozentsatz (um sicherzustellen, dass die Gesamtkonzentration immer 100 % ergibt) dargestellt werden. ).

Definition eines Phasendiagramms

Für jede mögliche Zusammensetzung des Systems werden bei fester Temperatur und festem Druck die vorhandene(n) Phase(n) gezeigt.

Konstruktion eines Phasendiagramms

Der Prozess der Konstruktion eines Phasendiagramms kann entweder theoretisch oder anhand experimenteller Informationen durchgeführt werden. Im ersten Fall werden thermodynamische Gleichungen verwendet, um den Gleichgewichtszustand eines Systems (sei es ein Reinstoff, ein binäres Gemisch oder ein ternäres System) in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Systems und seiner Zusammensetzung zu berechnen. Abgesehen von relativ einfachen Systemen ist dieser Ansatz ziemlich komplex und schwierig auszuführen.

Aus experimenteller Sicht sind die Verfahren zum Erstellen von Phasendiagrammen normalerweise ähnlich, unabhängig von der Art des betreffenden Phasendiagramms. In den meisten Fällen geht man von einem System aus, das sich in einem Anfangszustand befindet, der hinsichtlich seiner Zusammensetzung und anderer Eigenschaften gut definiert ist, und es wird auf irgendeine Weise beobachtet (mit bloßem Auge oder durch instrumentelle Techniken). ) welche Phase oder Phasen vorhanden sind. Variiere dann allmählich einige der Eigenschaften des Systems, wobei alle anderen Eigenschaften konstant gehalten werden, wobei jede Zustandsänderung und die Bedingungen, unter denen diese Zustandsänderung auftrat, notiert werden.

Aufbau von Reinstoffdiagrammen

Bei reinen Stoffen wird meist ein Druck eingestellt und anschließend die Temperatur variiert, wobei die Phasenumwandlungspunkte auf der Höhe des entsprechenden Druckes im Diagramm dargestellt werden. Dann wird der Druck geändert und der Vorgang wiederholt. Die Vereinigung der Punkte, an denen die Phasenänderungen auftreten, und der Schnittpunkte zwischen den resultierenden Kurven ermöglichen die Konstruktion des Phasendiagramms, das in jedem Bereich auf jeder Seite jeder Kurve anzeigt, welche Phase vorhanden ist.

Konstruktion von Binärdiagrammen

Im Fall von binären Systemen beginnt man normalerweise mit den beiden reinen Komponenten bei einem definierten Druck oder einer definierten Temperatur und variiert die andere Variable (Temperatur bzw. Druck), wobei wiederum die Temperatur oder der Druck notiert wird, bei denen eine Phasenänderung auftritt. Diese Punkte sind auf den vertikalen Achsen dargestellt. Die rechte stellt eine der reinen Komponenten dar und die linke die andere.

Dann werden Mischungen beider Komponenten mit Konzentrationen hergestellt, die in Bezug auf ihren Mol- oder Massenanteil (oder ihre Prozentsätze) definiert sind. Variieren Sie für jede Zusammensetzung (auf der x-Achse aufgetragen) erneut die Temperatur oder den Druck und notieren Sie die Phasenänderungen wie zuvor.

Konstruktion von ternären Diagrammen

Die Vorgehensweise bei ternären Diagrammen ist in der Regel etwas komplexer. In manchen Fällen geht es darum, Mischungen herzustellen, die parallel zu einer der Seiten des Diagramms verlaufen, in anderen Fällen senkrecht und in anderen Fällen diagonal. Jede dieser Touren hat ihren eigenen experimentellen Weg, um erreicht zu werden, einschließlich des Mischens eines festen binären Systems mit zunehmenden Mengen der dritten Komponente und umgekehrt.

Wozu dienen Phasendiagramme?

Die Anwendung von Phasendiagrammen hängt von der jeweiligen Art des betreffenden Phasendiagramms ab.

Nutzen von Phasendiagrammen reiner Substanzen

Bei Reinstoffdiagrammen gibt uns das Phasendiagramm in Abhängigkeit von Druck und Temperatur eine klare Auskunft darüber, in welcher Phase sich das System befinden wird. Dadurch können wir auch die Phasenänderungen vorhersagen, die auftreten müssen, wenn wir ein System auf verschiedenen Wegen von einem Anfangszustand in einen Endzustand bringen.

Andererseits ermöglicht diese Art von Phasendiagrammen auch die Vorhersage der Phasenwechseltemperaturen (bzw. Phasenwechselpunkte) eines Reinstoffs bei unterschiedlichen Drücken. Wir können zum Beispiel deutlich sehen, wie sich die Siede- und Schmelzpunkte als Funktion des Drucks ändern.

Nutzen von binären Phasendiagrammen

Im Fall von binären Phasendiagrammen bieten diese Informationen über die verschiedenen Phasen, ihre Anteile und ihre Zusammensetzung, wenn wir entweder die Temperatur, die den Druck konstant hält, oder den Druck, der die Temperatur konstant hält, variieren. Da es sich um zweidimensionale Diagramme handelt, ist es im Allgemeinen nicht möglich, Phasenänderungen, die Anteile, in denen jede Phase vorhanden ist, und ihre Zusammensetzung als Funktion von Temperatur und Druck gleichzeitig zu beobachten. Die Konstruktion binärer Phasendiagramme als Funktion der Temperatur bei verschiedenen Drücken kann uns diese Informationen jedoch indirekt liefern.

Phasendiagramme binärer Systeme ermöglichen es uns, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Phasen zu untersuchen, die sich zwischen zwei verschiedenen chemischen Substanzen bilden können. Diese Phasen können reine Phasen beider Komponenten in unterschiedlichen Zuständen (z. B. fest und flüssig) oder homogene Phasen enthalten, die beide Komponenten enthalten (z. B. Legierungen, Lösungen, Co-Kristalle usw.).

Dank dem Obigen erlauben binäre Phasendiagramme die Identifizierung von eutektischen Systemen, die binäre Systeme sind, die bei einer einzigen Temperatur schmelzen und deren Schmelzpunkt niedriger ist als der einer der beiden reinen Komponenten. Außerdem erlauben sie die Bestimmung der Schmelztemperatur dieses Systems, dem sogenannten eutektischen Punkt. Dies ist in verschiedenen industriellen Anwendungen sehr wichtig, da es die Identifizierung und Konstruktion von hochfesten, niedrig schmelzenden Metalllegierungen ermöglicht , die beispielsweise beim Schweißen nützlich sind.

Nutzen von ternären Phasendiagrammen

Schließlich wird in ternären Phasendiagrammen ein Dreiecksdiagramm verwendet, um gleichzeitig an einer Stelle darstellen zu können, in welchen Anteilen sich die drei Komponenten eines ternären Gemisches befinden. Das bedeutet, dass wir in diesen Diagrammen nicht den Einfluss von Temperatur und Druck auf die im ternären System vorhandene(n) Phase(n) beobachten können, sondern nur den Einfluss der Zusammensetzung.

Daher wird ein ternäres Phasendiagramm hauptsächlich verwendet, um zu bestimmen, wie sich ein ternäres System verhält, wenn die relative Konzentration einer der Komponenten variiert. Dies ist nützlich, um Systeme zu untersuchen, in denen zwei Lösungen mit unterschiedlichen gelösten Stoffen gemischt werden, da das Lösungsmittel und die beiden gelösten Stoffe in der Mischung vorhanden sind und somit ein ternäres System bilden.

Teile eines Phasendiagramms

Die folgenden Diagramme werden verwendet, um die Teile eines Phasendiagramms für einen reinen Stoff und ein binäres System zu beschreiben:

Phasendiagramm-Definition

Phasendiagramm-Definition

Die Achsen des Diagramms

Abhängig von der Art des Phasendiagramms können diese Druck und Temperatur (wie im Fall des ersten Diagramms), Molenbruch einer Komponente (wie im zweiten) oder von zwei Komponenten (wie im Fall von ternären Diagrammen) darstellen. . . ).

Phasengleichgewichtskurven

Sie sind die Kurven, die in einem Phasendiagramm eine Phase von einer anderen trennen. Die AB-, BC- und BD-Kurven im obigen Diagramm einer reinen Substanz sind allesamt Beispiele für Phasengleichgewichtskurven, ebenso wie die AB- und AD-Kurven im zweiten Diagramm.

dreifache Punkte

In Reinstoffsystemen ist der Tripelpunkt derjenige, in dem mehrere Phasengleichgewichtskurven zusammenfallen, also 3 Phasen gleichzeitig im Gleichgewicht sind. Er entspricht Punkt B im ersten Diagramm der vorherigen Abbildung.

Kritische Punkte

Er entspricht Punkt D im ersten Diagramm. Sie gibt die maximale Temperatur an, bei der ein Reinstoff flüssig vorliegen kann. Oberhalb dieser Temperatur ist der Stoff immer gasförmig und bei höheren Temperaturen und Drücken verhält er sich wie eine überkritische Flüssigkeit.

eutektische Punkte

Es entspricht Punkt A im Binärdiagramm des vorherigen Bildes. Es ist der Punkt, an dem beide Phasen zusammenschmelzen und direkt vom festen in den flüssigen Zustand übergehen, wobei keine der beiden ursprünglichen festen Phasen mehr vorhanden ist. Dieser Punkt markiert sowohl die eutektische Schmelztemperatur als auch die eutektische Zusammensetzung für das betrachtete binäre System.

Nicht alle Mischungen bilden eutektische Mischungen, aber viele, wie z. B. Legierungen, tun dies.

Verweise

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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