Phasendiagramme von Reinstoffen

Hallo und herzlich willkommen! Das Thema, um das es jetzt gehen wird, lautet "Phasendiagramme von Reinstoffen". Nach dem Film kannst du folgende Fragen beantworten:

1. Was sind Phasendiagramme von Reinstoffen?
2. Wie sind sie aufgebaut?
3. Wozu sind sie nützlich?

Du solltest bereits wissen, was Aggregatzustände sind und was Reinstoffe sind.

Ganz allgemein formuliert sind Phasendiagramme, die man auch Zustandsdiagramme nennt, grafische Darstellungen der unterschiedlichen Zustände, die ein Stoff unter verschiedenen Bedingungen annehmen kann. Damit ist zum Beispiel gemeint, dass wenn ich einen Stoff habe bei einer bestimmten Temperatur und die Temperatur erhöhe, der Stoff schmilzt. Das heißt, er wechselt vom festen Zustand in den flüssigen Zustand. Da es bekanntlich sehr viele Zustände und sehr viele Stoffe gibt, wollen wir uns hier auf den einen Spezialfall beschränken, und zwar die sogenannten Druck-Temperatur Phasendiagramme von Reinstoffen. Man bezeichnet sie auch als p-T-Phasendiagramme, wobei der Buchstabe "p" für den Druck steht und das "T" für die Temperatur. Worum es hier konkret geht, soll folgendes kleine Beispiel veranschaulichen: Wir haben einen Behälter mit Eis, den wir erwärmen. Wie man weiß, schmilzt dann das Eis und es entsteht Wasser. Das heißt, der Aggregatzustand änderte sich von fest zu flüssig. Erwärmen wir weiter, verdampft das Wasser. Das heißt, es ändert seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. In einem p-T-Phasendiagramm wird dargestellt, in welchem Aggregatzustand ein bestimmter Stoff bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Druck vorliegt. Das heißt, habe ich einen bestimmten Druck und eine bestimmte Temperatur, dann kann ich im Phasendiagramm ablesen, ob mein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist. Ein solches Phasendiagramm besteht üblicherweise aus einem Koordinatensystem, bei dem die Temperatur auf der X-Achse aufgetragen wird und der Druck auf der Y-Achse. Alsdann werden in das Diagramm 3 verschiedene Kurven eingezeichnet, die hier in roter, grüner und dunkellila Farbe angedeutet sind. Diese Kurven bilden die Grenzen zwischen den Bereichen, in denen unser Stoff fest, flüssig oder gasförmig vorliegt, und sie haben eigene Namen. Die grüne Kurve nennt man die Siedepunktskurve und sie markiert die Grenze zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Bereich. Die lila Kurve ist die sogenannte Schmelzdruckkurve und markiert die Grenze zwischen dem flüssigen und dem festen Bereich. Die rote Kurve, zu guter Letzt, ist die Sublimationsdruckkurve und sie bildet die Grenze zwischen dem festen und dem gasförmigen Bereich. Wie liest man nun solch ein Diagramm? Ausgehend von einem Punkt, der bei einer bestimmten Temperatur T1 und einem bestimmten Druck p1 liegt, und der sich im gasförmigen Bereich befindet, erhöhen wir den Druck auf einen Druck p2. Auf diese Weise gelangen wir in den flüssigen Bereich. Was ist passiert? Unser Stoff hat sich durch die Druckerhöhung vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand verwandelt, weil der Druck sich verändert hat. Die Temperatur blieb gleich. Erhöhen wir den Druck noch weiter auf den Druck p3, dann befinden wir uns plötzlich im festen Bereich, obwohl die Temperatur gleich geblieben ist; das heißt, unser Stoff ist von dem flüssigen Zustand in den festen Zustand übergegangen, er ist erstarrt. Lassen wir an dieser Stelle den Druck gleich, nämlich bei p3, aber erhöhen die Temperatur auf T2, dann befinden wir uns plötzlich wieder im flüssigen Bereich; das heißt, unser Stoff ist wieder geschmolzen durch die Temperaturerhöhung. In solch einem Phasendiagramm gibt es einen sehr markanten Punkt, der sofort ins Auge fällt. Das ist nämlich genau der Punkt, an dem die 3 Kurven zusammenstoßen. Man nennt diesen Punkt den Tripelpunkt. Die Besonderheit des Tripelpunkts besteht darin, dass bei dem Druck und bei der Temperatur, die den Tripelpunkt kennzeichnen, der Stoff in allen 3 Aggregatszuständen gleichzeitig vorliegt, in einem bestimmten Mengenverhältnis. Das heißt, befinden wir uns am Tripelpunkt, dann haben wir sowohl festes, flüssiges und gasförmiges Wasser zum Beispiel oder was auch immer wir gerade betrachten als Stoff. Analog dazu gilt natürlich auch: Wenn wir uns direkt auf einer der Kurven befinden, zum Beispiel auf der Sublimationsdruckkurve, der roten Kurve, dann haben wir gleichzeitig gasförmiges und festes Wasser, zum Beispiel, vorliegen. Ein weiterer charakteristischer Punkt in unserem Phasendiagramm ist der sogenannte kritische Punkt, der etwas schwer zu verstehen ist, aber man kann ihn so verstehen, dass an dieser Stelle die flüssige und die gasförmige Phase nicht mehr unterscheidbar wären. Das heißt, an dieser Stelle hört unser Phasendiagramm sozusagen auf. Bis hierher sind diese ganzen Betrachtungen sehr theoretisch und man fragt sich zurecht: Wozu das alles? Wozu soll das gut sein? Das möcht ich hier anhand von 2 kleinen praktischen Beispielen zeigen. Das 1. Beispiel betrifft die sogenannte Gasverflüssigung. Was passiert dabei? Ich habe einen Behälter mit Gas, auf den ich einen starken Druck ausübe. Durch diesen Druck verflüssigt sich unsere Substanz und dadurch, wenn sie flüssig ist, können wir sie in kleine Gasflaschen abfüllen und zum Beispiel als Propangas im Supermarkt für Campingausrüstung verkaufen. Der konkrete Nutzen des Phasendiagrammes besteht nun darin, dass - wenn ich weiß, wie das Phasendiagramm eines Stoffes aussieht - ich genau abschätzen kann, wie viel Druck ich ausüben muss, damit das Gas verflüssigt wird, und ich außerdem abschätzen kann, wie stark die Flaschen gebaut sein müssen (das heißt, welchen Druck sie aushalten müssen), damit ich sie ruhigen Gewissens in den Supermarkt stellen kann. Das 2. Beispiel betrifft das sehr alltägliche Problem des Eierkochens, wo sich ja immer die Frage stellt: Wie viel Minuten brauch ich, damit mein Ei optimal ist? Wenn ich nun im Urlaub am Strand bin oder im Urlaub in den Bergen, dann wird man vielleicht feststellen, dass man unterschiedliche Zeiten braucht. Woran liegt das? Wenn ich am Strand bin, bin ich einem höheren Luftdruck ausgesetzt, weil eine höhere Luftmenge auf mich drückt, während in den Bergen ein niedrigerer Luftdruck herrscht. Mit dem Luftdruck verändert sich aber auch die Siedetemperatur meines Kochwassers. Ein hoher Druck bedeutet eine hohe Siedetemperatur und ein niedriger Druck weist auf eine niedrige Siedetemperatur hin. Je höher aber die Siedetemperatur ist, desto schneller ist mein Ei hart. Wenn ich also das Phasendiagramm des Wassers genau kenne, dann kann ich sagen, bei welchem Luftdruck wie heiß mein Kochwasser wird und daraus abschätzen, wie lange ich meine Frühstückseier kochen muss. Wir haben in diesem Video gesehen, was ein Druck-Temperatur-Phasendiagramm von Reinstoffen ist, was man daraus ablesen kann und wofür es gut sein kann. Natürlich könnte man noch viel mehr zu diesem Thema sagen, aber es sei mal hier an dieser Stelle vorerst ein Schlusspunkt gemacht. Ich möchte mich verabschieden und bedanken für eure Aufmerksamkeit. Tschüss!