Hallo meine Lieben! Heute werden wir uns mit einem faszinierenden Thema befassen: Chemie für Studierende. In diesem Modul werden wir uns mit Phasendiagrammen befassen und lernen, wie man den Zustand einer Substanz unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen bestimmt.
Phasendiagramme: Ein Leitfaden
Ein Phasendiagramm ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur für die Phasenübergänge – fest-flüssig, flüssig-gasförmig und fest-gasförmig – einer Substanz darstellt. Solche Diagramme geben Aufschluss über die physikalischen Zustände, die unter bestimmten Bedingungen von Druck und Temperatur existieren, und liefern auch Informationen über die druckabhängigen Phasenübergangstemperaturen wie Schmelzpunkt, Sublimationspunkt und Siedepunkt. Ein typisches Phasendiagramm für eine reine Substanz ist in Abbildung 1 dargestellt.
Wasser: Ein Beispiel für ein Phasendiagramm
Um die Nützlichkeit von Phasendiagrammen zu veranschaulichen, betrachten wir das Phasendiagramm für Wasser in Abbildung 2.
Durch die Verwendung dieses Phasendiagramms können wir den physikalischen Zustand einer Wasserprobe unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen bestimmen. Zum Beispiel entspricht ein Druck von 50 kPa und eine Temperatur von -10 °C dem Bereich des Diagramms, der als “Eis” bezeichnet wird. Unter diesen Bedingungen existiert Wasser nur als fester Stoff (Eis). Ein Druck von 50 kPa und eine Temperatur von 50 °C entsprechen dem “Wasser”-Bereich – hier existiert Wasser nur als Flüssigkeit. Bei einem Druck von 25 kPa und einer Temperatur von 200 °C existiert Wasser nur im gasförmigen Zustand. Beachten Sie, dass die Druck- und Temperaturachsen des H2O-Phasendiagramms nicht im selben Maßstab gezeichnet sind, um verschiedene wichtige Merkmale wie hier beschrieben zu veranschaulichen.
Die Kurve BC in Abbildung 2 ist die darstellung des Dampfdrucks gegen Temperatur, wie in einem vorherigen Modul dieser Einheit beschrieben. Diese “Flüssig-Dampf”-Kurve trennt die flüssige und gasförmige Region des Phasendiagramms und liefert den Siedepunkt von Wasser bei jedem Druck. Bei 1 atm beträgt der Siedepunkt beispielsweise 100 °C. Beachten Sie, dass die Flüssig-Dampf-Kurve bei einer Temperatur von 374 °C und einem Druck von 218 atm endet, was bedeutet, dass Wasser oberhalb dieser Temperatur unabhängig vom Druck nicht als Flüssigkeit existieren kann. Die physikalischen Eigenschaften von Wasser unter diesen Bedingungen liegen zwischen denen seiner flüssigen und gasförmigen Phasen. Dieser einzigartige Zustand der Materie wird als überkritischer Stoff bezeichnet und wird im nächsten Abschnitt dieses Moduls näher erläutert.
Die Kurve AB in Abbildung 2 zeigt die Temperaturen und Drücke, bei denen Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht sind. Diese Temperatur-Druck-Datenpaare entsprechen den Sublimations- oder Depositionspunkten für Wasser. Wenn wir in die feste-Gas-Linie in Abbildung 2 hineinzoomen könnten, würden wir sehen, dass Eis bei -10 °C einen Dampfdruck von etwa 0,20 kPa hat. Wenn wir also eine gefrorene Probe in einem Vakuum mit einem Druck von weniger als 0,20 kPa platzieren würden, würde das Eis sublimieren. Dies bildet die Grundlage für den “Gefriertrocknungsprozess”, der häufig zur Konservierung von Lebensmitteln verwendet wird, wie zum Beispiel dem in Abbildung 3 gezeigten Eis.
Die Kurve BD, die in Abbildung 2 gezeigt wird, zeigt die Temperaturen und Drücke, bei denen Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht sind und stellt die Schmelz-/Gefrierpunkte für Wasser dar. Beachten Sie, dass diese Kurve eine leicht negative Steigung aufweist (stark übertrieben zur Klarheit), was darauf hinweist, dass der Schmelzpunkt von Wasser mit zunehmendem Druck leicht abnimmt. Wasser ist in dieser Hinsicht eine ungewöhnliche Substanz, da die meisten Stoffe einen Anstieg des Schmelzpunkts mit zunehmendem Druck aufweisen. Dieses Verhalten ist teilweise für die Bewegung von Gletschern verantwortlich, wie dem in Abbildung 4 gezeigten. Die Unterseite eines Gletschers erfährt einen immensen Druck aufgrund seines Gewichts, der einen Teil des Eises schmelzen kann und eine Schicht flüssigen Wassers bildet, auf der der Gletscher leichter gleiten kann.
Der Schnittpunkt aller drei Kurven wird in Abbildung 2 als B bezeichnet. Bei dem Druck und der Temperatur, die durch diesen Punkt repräsentiert werden, existieren alle drei Phasen von Wasser im Gleichgewicht. Dieses Temperatur-Druck-Datenpaar wird als Tripelpunkt bezeichnet. Bei Drücken unterhalb des Tripelpunkts kann Wasser unabhängig von der Temperatur nicht als Flüssigkeit existieren.
Suprafluide – Ein faszinierender Zustand
Wenn wir eine Wasserprobe in einem verschlossenen Behälter bei 25 °C platzieren, die Luft entfernen und das Verdampfungs-Kondensations-Gleichgewicht herstellen, bleibt eine Mischung aus flüssigem Wasser und Wasserdampf unter einem Druck von 0,03 atm zurück. Eine deutliche Grenze zwischen der dichteren Flüssigkeit und dem weniger dichten Gas ist deutlich erkennbar. Wenn wir die Temperatur erhöhen, steigt der Druck des Wasserdampfs, wie durch die Flüssig-Gas-Kurve im Phasendiagramm für Wasser (Abbildung 2) beschrieben, und ein Zweiphasengleichgewicht von flüssiger und gasförmiger Phase bleibt bestehen. Bei einer Temperatur von 374 °C ist der Dampfdruck auf 218 atm gestiegen, und eine weitere Erhöhung der Temperatur führt zum Verschwinden der Grenze zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Das gesamte Wasser in dem Behälter liegt nun in einer einzigen Phase vor, deren physikalische Eigenschaften zwischen denen des gasförmigen und des flüssigen Zustands liegen. Diese Zustandsform wird als suprafluide bezeichnet, und die Temperatur und der Druck, über denen dieser Zustand existiert, werden als kritischer Punkt bezeichnet. Oberhalb seiner kritischen Temperatur kann ein Gas nicht verflüssigt werden, unabhängig davon, wie viel Druck ausgeübt wird. Der Druck, der erforderlich ist, um ein Gas bei seiner kritischen Temperatur zu verflüssigen, wird als kritischer Druck bezeichnet. Die kritischen Temperaturen und kritischen Drücke einiger gebräuchlicher Stoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1:
| Substanz | Kritische Temperatur (K) | Kritischer Druck (atm) |
| :——: | :——————–: | :——————-: |
| Wasserstoff | 33.2 | 12.8 |
| Stickstoff | 126.0 | 33.5 |
| Sauerstoff | 154.3 | 49.7 |
| Kohlendioxid | 304.2 | 73.0 |
| Ammoniak | 405.5 | 111.5 |
| Schwefeldioxid | 430.3 | 77.7 |
| Wasser | 647.1 | 217.7 |
Ähnlich wie ein Gas dehnt sich ein überkritisches Fluid aus und füllt einen Behälter, aber seine Dichte ist viel größer als die typische Dichte von Gasen und liegt in der Regel nahe an derjenigen von Flüssigkeiten. Ähnlich wie Flüssigkeiten sind diese Fluide in der Lage, nichtflüchtige Lösungsmittel aufzunehmen. Sie weisen jedoch im Wesentlichen keine Oberflächenspannung und sehr niedrige Viskositäten auf, so dass sie sehr effektiv in sehr kleine Öffnungen in einer festen Mischung eindringen und lösliche Bestandteile entfernen können. Diese Eigenschaften machen überkritische Fluide zu äußerst nützlichen Lösungsmitteln für eine Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise ist überkritisches Kohlendioxid zu einem sehr beliebten Lösungsmittel in der Lebensmittelindustrie geworden, da es zum Entkoffeinieren von Kaffee, Entfernen von Fetten aus Kartoffelchips und Extrahieren von Aromastoffen aus Zitrusölen verwendet wird. Es ist ungiftig, relativ preiswert und wird nicht als Schadstoff betrachtet. Nach Gebrauch kann das CO2 leicht zurückgewonnen werden, indem der Druck verringert und das resultierende Gas gesammelt wird.
Glossar
- Kritischer Punkt: Temperatur und Druck, oberhalb derer ein Gas nicht kondensiert werden kann.
- Phasendiagramm: Druck-Temperatur-Diagramm, das die Bedingungen zusammenfasst, unter denen die Phasen einer Substanz existieren können.
- Suprafluid: Substanz bei einer Temperatur und einem Druck über ihrem kritischen Punkt; zeigt Eigenschaften, die zwischen denen des gasförmigen und des flüssigen Zustands liegen.
- Tripelpunkt: Temperatur und Druck, bei denen die Dampf-, Flüssig- und Festphasen einer Substanz im Gleichgewicht sind.
So, meine besten Freundinnen, das war unser kleiner Ausflug in die Welt der Chemie für Studierende! Ich hoffe, ihr habt etwas Neues gelernt und findet dieses Thema genauso spannend wie ich. Bleibt dran für weitere aufregende Abenteuer in der faszinierenden Welt der Wissenschaft!
