Phasendiagramme - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Phasendiagramme - Chemie

Einleitung

Ein Phasendiagramm zeigt, welcher Zustand eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck stabil ist. Du kannst damit vorhersagen, ob ein Reinstoff fest, flüssig, gasförmig oder überkritisch vorliegt. Besonders wichtig sind Phasendiagramme für Wasser und Kohlenstoffdioxid.

In diesem aiMOOC lernst Du, ein Druck-Temperatur-Diagramm zu lesen, Phasengrenzen zu deuten und Vorgänge wie Schmelzen, Sieden, Sublimation und Kondensation zu erklären.

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Lernziele

1. Phasendiagramm lesen: Du ordnest Achsen, Phasenfelder und Grenzlinien richtig zu.
2. Phasenübergang erklären: Du beschreibst Zustandsänderungen mit Temperatur und Druck.
3. Tripelpunkt und kritischer Punkt: Du erklärst die beiden besonderen Punkte.
4. Wasser und Kohlenstoffdioxid vergleichen: Du leitest Unterschiede aus den Diagrammen ab.

Grundlagen

Was ist eine Phase?

Eine Phase ist ein Bereich mit einheitlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Eis und flüssiges Wasser sind zwei verschiedene Phasen desselben Stoffes. Auch verschiedene Kristallformen eines Feststoffs können eigene Phasen bilden.

Ein einfaches Phasendiagramm eines Reinstoffs zeigt meist drei große Phasenfelder: fest, flüssig und gasförmig. In jedem Feld ist eine dieser Phasen thermodynamisch stabil.

Vom Zustandsraum zum Diagramm

Der Zustand eines Stoffes hängt unter anderem von Druck, Temperatur und Volumen ab. Ein räumliches p-v-T-Diagramm kann in zweidimensionale Diagramme projiziert werden. Im Chemieunterricht wird meistens das p-T-Diagramm verwendet.

So liest Du ein p-T-Diagramm

Auf der waagerechten Achse steht meist die Temperatur $T$, auf der senkrechten Achse der Druck $p$. Jeder Punkt im Diagramm beschreibt genau eine Kombination aus Druck und Temperatur.

Liegt ein Punkt in einem Phasenfeld, ist dort eine Phase stabil. Liegt er auf einer Grenzlinie, stehen zwei Phasen im Gleichgewicht. Triffst Du den Schnittpunkt dreier Grenzlinien, erreichst Du den Tripelpunkt.

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Phasengrenzen und besondere Punkte

Phasengrenzlinien

Die Sublimationskurve trennt die feste von der gasförmigen Phase. Die Schmelzkurve trennt fest und flüssig. Die Dampfdruckkurve oder Verdampfungskurve trennt flüssig und gasförmig.

Auf einer Grenzlinie können beide angrenzenden Phasen gleichzeitig bestehen. Kleine Änderungen von Druck oder Temperatur entscheiden, welche Phase stabil wird.

Tripelpunkt

Am Tripelpunkt stehen drei Phasen eines Reinstoffs im Gleichgewicht. Für Wasser sind dies Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf. Der Tripelpunkt des Wassers liegt ungefähr bei $\mathrm{273,16}\mathrm{K}$, also $\mathrm{0,01}{}^{\circ }\mathrm{C}$, und bei etwa $611\mathrm{P}\mathrm{a}$.

Eine Tripelpunktzelle wird in der Temperaturmesstechnik als sehr genauer Bezugspunkt genutzt. Seit der Neudefinition des Kelvin im Jahr 2019 wird das Kelvin über die Boltzmann-Konstante definiert; der Tripelpunkt bleibt trotzdem ein wichtiger Mess- und Vergleichszustand.

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Kritischer Punkt

Die Flüssig-Gas-Grenzlinie endet am kritischen Punkt. Oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks gibt es keine scharfe Grenze mehr zwischen Flüssigkeit und Gas. Der Stoff ist dann ein überkritisches Fluid.

Überkritische Fluide können Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten verbinden. Überkritisches Kohlenstoffdioxid wird zum Beispiel als Lösungsmittel und bei technischen Extraktionen eingesetzt.

Wasser im Phasendiagramm

Die Besonderheit der Schmelzkurve

Bei den meisten Stoffen steigt die Schmelztemperatur mit zunehmendem Druck. Bei Wasser fällt sie im üblichen Druckbereich leicht. Der Grund ist die Dichteanomalie des Wassers: Gewöhnliches Eis besitzt eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Druck begünstigt deshalb die dichtere flüssige Phase.

Sieden bei verändertem Druck

Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck den äußeren Druck erreicht. Sinkt der Außendruck, sinkt auch die Siedetemperatur. Deshalb siedet Wasser im Hochgebirge unterhalb von $100{}^{\circ }\mathrm{C}$. Im Schnellkochtopf ist der Druck höher, deshalb steigt die Siedetemperatur.

Datei:Water Boiling in a Vacuum Chamber.webm

Sicherheit: Vakuumversuche und Druckversuche gehören in die Hand einer Lehrkraft. Geschlossene Gefäße dürfen nicht unkontrolliert erhitzt oder evakuiert werden.

Wege durch das Diagramm

Bei konstantem Druck bewegst Du Dich im p-T-Diagramm waagerecht. Beim Erwärmen von Eis unter Normaldruck werden nacheinander die Schmelzkurve und die Verdampfungskurve überschritten: Eis schmilzt, Wasser siedet.

Bei konstanter Temperatur bewegst Du Dich senkrecht. Eine Druckänderung kann dadurch ebenfalls einen Phasenübergang auslösen.

Kohlenstoffdioxid im Phasendiagramm

Warum Trockeneis nicht schmilzt

Der Tripelpunkt von Kohlenstoffdioxid liegt bei ungefähr $-\mathrm{56,6}{}^{\circ }\mathrm{C}$ und $\mathrm{5,18}\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}$. Unterhalb dieses Drucks kann flüssiges Kohlenstoffdioxid nicht stabil sein. Bei Normaldruck geht festes CO₂ deshalb direkt in die Gasphase über. Dieser Vorgang heißt Sublimation.

Trockeneis sublimiert bei Normaldruck ungefähr bei $-\mathrm{78,5}{}^{\circ }\mathrm{C}$. Der sichtbare weiße Nebel besteht überwiegend aus kleinen Wassertröpfchen, die durch die starke Abkühlung der Luft entstehen.

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Sicherheit: Trockeneis darf nur mit geeigneten Kälteschutzhandschuhen und guter Lüftung verwendet werden. Es darf niemals in einem dicht verschlossenen Gefäß aufbewahrt werden.

Flüssiges und überkritisches CO₂

Flüssiges CO₂ ist nur oberhalb des Tripelpunktsdrucks möglich. Der kritische Punkt liegt ungefähr bei $31{}^{\circ }\mathrm{C}$ und $\mathrm{73,8}\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}$. Oberhalb beider Werte liegt überkritisches CO₂ vor.

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Wasser und Kohlenstoffdioxid im Vergleich

Wasser besitzt bei Normaldruck eine stabile flüssige Phase. Kohlenstoffdioxid besitzt bei Normaldruck keine stabile flüssige Phase. Deshalb schmilzt Eis aus Wasser, während Trockeneis sublimiert.

Die Schmelzkurve von Wasser hat im üblichen Druckbereich eine negative Steigung. Beim einfachen CO₂-Diagramm hat sie eine positive Steigung. Diese Unterschiede lassen sich mit den Dichteverhältnissen der beteiligten Phasen erklären.

Erweiterung: Gibbssche Phasenregel

Die Gibbssche Phasenregel beschreibt, wie viele Zustandsgrößen unabhängig verändert werden können:

$F=K-P+2$

Dabei ist $F$ die Zahl der Freiheitsgrade, $K$ die Zahl der Komponenten und $P$ die Zahl der vorhandenen Phasen.

Für einen Reinstoff gilt $K=1$. In einem einphasigen Feld ist $F=2$: Druck und Temperatur können unabhängig verändert werden. Auf einer Phasengrenze ist $F=1$. Am Tripelpunkt mit drei Phasen ist $F=0$; Druck und Temperatur sind dort festgelegt.

Ausblick: Phasendiagramme von Gemischen

Bei Gemischen kommt die Zusammensetzung als weitere Größe hinzu. Binäre Phasendiagramme zeigen zum Beispiel, bei welchen Temperaturen ein Gemisch vollständig flüssig ist oder aus mehreren Phasen besteht. Solche Diagramme sind in der Werkstoffkunde, der Petrologie und der Verfahrenstechnik wichtig.

Typische Fehler vermeiden

1. Achsen prüfen: Lies zuerst Einheiten und Achsenskalierung.
2. Linie richtig deuten: Eine Grenzlinie ist ein Zweiphasengebiet, nicht einfach eine weitere einzelne Phase.
3. Weg beachten: Ein Phasenübergang hängt davon ab, ob Druck, Temperatur oder beides verändert werden.
4. Gleichgewicht beachten: Ein Phasendiagramm zeigt stabile Gleichgewichtszustände; schnelle Vorgänge und metastabile Zustände können abweichen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Größen stehen in einem p-T-Phasendiagramm auf den Achsen? (Druck und Temperatur) (!Volumen und Masse) (!Dichte und Stoffmenge) (!Zeit und Energie)

Was zeigt ein Phasenfeld? (Den stabilen Zustand eines Stoffes) (!Die Reaktionsgeschwindigkeit) (!Die Farbe eines Stoffes) (!Die Molekülmasse)

Was gilt auf einer Phasengrenzlinie? (Zwei Phasen stehen im Gleichgewicht) (!Der Stoff reagiert vollständig) (!Es liegt immer nur Gas vor) (!Druck und Temperatur sind null)

Was kennzeichnet den Tripelpunkt eines Reinstoffs? (Drei Phasen stehen im Gleichgewicht) (!Vier Elemente reagieren miteinander) (!Nur die feste Phase ist stabil) (!Der Stoff besitzt keine Temperatur)

Wo endet die Flüssig-Gas-Grenzlinie? (Am kritischen Punkt) (!Am Gefrierpunkt) (!Am absoluten Nullpunkt) (!Am Normaldruck)

Warum fällt die Schmelzkurve von Wasser im üblichen Druckbereich leicht? (Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser) (!Wasser enthält immer Salz) (!Wasserdampf ist farblos) (!Eis besitzt keine Kristallstruktur)

Was geschieht mit Trockeneis bei Normaldruck? (Es sublimiert) (!Es schmilzt zu flüssigem CO₂) (!Es verdampft aus einer Flüssigkeit) (!Es wird zu Wassereis)

Was geschieht mit der Siedetemperatur von Wasser bei sinkendem Außendruck? (Sie sinkt) (!Sie steigt immer auf 200 Grad) (!Sie bleibt grundsätzlich gleich) (!Sie wird unabhängig von der Temperatur)

Was liegt oberhalb des kritischen Drucks und der kritischen Temperatur vor? (Ein überkritisches Fluid) (!Nur ein Feststoff) (!Ein Vakuum) (!Ein chemisches Element)

Wie verläuft ein Weg bei konstantem Druck im üblichen p-T-Diagramm? (Waagerecht) (!Senkrecht) (!Kreisförmig) (!Ohne Richtung)

Memory

Tripelpunkt	Drei Phasen im Gleichgewicht
Kritischer Punkt	Ende der Flüssig-Gas-Grenzlinie
Sublimation	Übergang von fest zu gasförmig
Resublimation	Übergang von gasförmig zu fest
Schmelzkurve	Grenze zwischen fest und flüssig
Dampfdruckkurve	Grenze zwischen flüssig und gasförmig
Phasenfeld	Bereich einer stabilen Phase
Isobare	Weg bei konstantem Druck

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beschreibung
Schmelzen	fest zu flüssig
Erstarren	flüssig zu fest
Verdampfen	flüssig zu gasförmig
Kondensieren	gasförmig zu flüssig
Sublimieren	fest zu gasförmig
Resublimieren	gasförmig zu fest

...

Kreuzworträtsel

Tripelpunkt	An welchem Punkt stehen drei Phasen im Gleichgewicht?
Sublimation	Wie heißt der direkte Übergang von fest zu gasförmig?
Kondensation	Wie heißt der Übergang von gasförmig zu flüssig?
Schmelzkurve	Welche Linie trennt die feste und die flüssige Phase?
Dampfdruck	Welche Größe einer Flüssigkeit erreicht beim Sieden den Außendruck?
Trockeneis	Wie heißt festes Kohlenstoffdioxid im Alltag?

Lückentext

Vervollständige den Text.

In einem p-T-Diagramm steht die meist auf der waagerechten Achse. Auf der senkrechten Achse wird der dargestellt. Ein Bereich mit nur einer stabilen Phase heißt . Auf einer Grenzlinie stehen zwei Phasen im . Drei koexistierende Phasen treffen sich am . Die Flüssig-Gas-Grenzlinie endet am Punkt. Festes Kohlenstoffdioxid bei Normaldruck. Oberhalb des kritischen Punkts liegt ein Fluid vor.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Phasendiagramm beschriften: Zeichne ein vereinfachtes p-T-Diagramm und beschrifte Achsen, Phasenfelder und Grenzlinien.
2. Begriffskarten: Gestalte sechs Karten zu Phasenübergängen mit Begriff, Pfeilrichtung und einem Alltagsbeispiel.
3. Wasserweg: Markiere in einem Wasser-Phasendiagramm den Weg beim Erwärmen von Eis unter Normaldruck.
4. Trockeneis-Erklärung: Erstelle eine kurze Bildunterschrift, die erklärt, warum Trockeneis bei Normaldruck nicht schmilzt.

Standard

1. Höhenlage und Siedepunkt: Erkläre mit einem Phasendiagramm, warum Wasser im Gebirge bei niedrigerer Temperatur siedet.
2. Schnellkochtopf: Erstelle ein Erklärplakat zum Zusammenhang von Druck, Siedetemperatur und Garzeit.
3. Diagrammvergleich: Vergleiche die Phasendiagramme von Wasser und Kohlenstoffdioxid in einer selbst gestalteten Tabelle.
4. Medienanalyse: Wähle ein eingebettetes Video aus und prüfe, welche Aussagen direkt im Phasendiagramm erkennbar sind.

Schwer

1. Experiment planen: Plane einen sicheren Lehrerversuch zum Sieden von Wasser bei vermindertem Druck und formuliere eine Vorhersage.
2. Phasenweg entwickeln: Entwirf einen Weg durch ein p-T-Diagramm, bei dem ein Stoff nacheinander gasförmig, flüssig und fest wird.
3. Gibbssche Phasenregel anwenden: Bestimme die Freiheitsgrade im Einphasenfeld, auf einer Grenzlinie und am Tripelpunkt.
4. Gemisch untersuchen: Recherchiere ein binäres Phasendiagramm und erkläre, welche zusätzliche Größe gegenüber einem Reinstoff wichtig ist.

Lernkontrolle

1. Transfer Wasser und CO₂: Erkläre mithilfe beider Phasendiagramme, warum Eis bei Normaldruck schmilzt, Trockeneis aber sublimiert.
2. Kochen im Gebirge: Leite aus dem Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Außendruck ab, wie sich eine größere Höhenlage auf Kochen und Garzeit auswirkt.
3. Schnellkochtopf beurteilen: Begründe, warum ein erhöhter Druck höhere Wassertemperaturen ermöglicht, ohne dass das Wasser sofort siedet.
4. Unbekannter Phasenweg: Beschreibe für einen eingezeichneten Weg durch ein p-T-Diagramm alle Phasen und Übergänge in der richtigen Reihenfolge.
5. Kritischen Punkt erklären: Erkläre, warum oberhalb des kritischen Punkts keine klare Flüssig-Gas-Grenze mehr existiert.
6. Modellgrenzen bewerten: Begründe, warum ein Gleichgewichts-Phasendiagramm schnelle Abkühlung, Unterkühlung oder andere metastabile Zustände nicht vollständig beschreibt.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du:

1. Fachbegriffe sicher verwenden: Phasenfeld, Phasengrenze, Tripelpunkt, kritischer Punkt und überkritisches Fluid korrekt erklären.
2. Diagramme lesen: Druck, Temperatur, Einheiten und Wege durch ein Phasendiagramm richtig auswerten.
3. Übergänge begründen: Schmelzen, Verdampfen, Kondensieren, Sublimieren und Resublimieren aus einem Diagramm ableiten.
4. Stoffe vergleichen: Die Unterschiede zwischen Wasser und Kohlenstoffdioxid verständlich begründen.
5. Alltag übertragen: Anwendungen wie Hochgebirgskochen, Schnellkochtopf oder Trockeneis mit dem Phasendiagramm erklären.
6. Erweiterung nutzen: Bei höherem Niveau die Gibbssche Phasenregel auf einfache Fälle anwenden.

OERs zum Thema

Ergänzend helfen Dir die Artikel Tripelpunkt, Kritischer Punkt, Aggregatzustand, Sublimation und Gibbssche Phasenregel.

Verknüpfte Lernbereiche

Phasendiagramme - Chemie Aggregatzustand Phasenübergang Thermodynamik Druck Temperatur Wasser Kohlenstoffdioxid Gibbssche Phasenregel