Phasengleichgewichte und die Phasenregel

Phasengleichgewichte beschreiben die Koexistenz von Feststoffen, Flüssigkeiten, Gasen und Lösungen, und die Gibbs'sche Phasenregel zählt, wie viele Bedingungen frei variiert werden können, während die Phasen im Gleichgewicht bleiben.

Definition

Phasengleichgewichte sind die Bedingungen, unter denen zwei oder mehr Phasen der Materie bei gleichem chemischem Potenzial koexistieren, und die Phasenregel ist die Beziehung, dass die Freiheitsgrade gleich den Komponenten minus den Phasen plus zwei sind, die die Anzahl der unabhängig variablen intensiven Bedingungen festlegt.

Scope

Dieses Thema behandelt die Thermodynamik der Phasenkoexistenz: die Gleichheit der chemischen Potenziale über Phasen hinweg, die Clapeyron- und Clausius-Clapeyron-Gleichungen, die Phasengrenzen bestimmen, sowie die Konstruktion und das Ablesen von Phasendiagrammen für reine Substanzen und Mischungen. Es umfasst die Gibbs'sche Phasenregel, die Freiheitsgrade mit Komponenten und Phasen in Beziehung setzt, kolligative Eigenschaften, partielle Mischbarkeit, Eutektika und die Hebelregel, während die Kinetik der Keimbildung und des Wachstums außerhalb ihres Anwendungsbereichs liegt.

Core questions

• Warum muss das chemische Potenzial jeder Komponente in jeder koexistierenden Phase im Gleichgewicht gleich sein?
• Wie beschreiben die Clapeyron- und Clausius-Clapeyron-Gleichungen die Steigung von Phasengrenzen?
• Wie zählt die Gibbs'sche Phasenregel die Freiheitsgrade in einem heterogenen System?
• Wie werden Eutektika, Azeotrope und partielle Mischbarkeit aus Phasendiagrammen abgelesen?

Key concepts

• Gleichheit der chemischen Potenziale über Phasen hinweg
• Clapeyron- und Clausius-Clapeyron-Gleichungen
• Gibbs'sche Phasenregel und Freiheitsgrade
• Phasendiagramme, Konoden und die Hebelregel
• Eutektika, Azeotrope und kolligative Eigenschaften

Key theories

Gibbs'sche Phasenregel

Für ein System im Gleichgewicht entspricht die Anzahl der unabhängig variierbaren intensiven Variablen der Anzahl der Komponenten minus der Anzahl der Phasen plus zwei, was einschränkt, wie viele Phasen koexistieren können und wie Phasendiagramme organisiert sind.

Clausius-Clapeyron-Beziehung für Phasengrenzen

Die Steigung einer Koexistenzlinie in einem Druck-Temperatur-Diagramm wird durch die Entropie- und Volumenänderungen des Übergangs bestimmt; für Verdampfung und Sublimation reduziert sich dies auf die Clausius-Clapeyron-Gleichung, die den Dampfdruck mit der Übergangs-Enthalpie verknüpft.

Clinical relevance

Phasengleichgewichte steuern Destillation und Kristallisation in der chemischen Produktion, die Legierungs- und Keramikverarbeitung in der Materialwissenschaft, die Mineralbildung in der Geologie sowie die Gefrierpunktserniedrigung und osmotische Phänomene, die in der Kryoprotektion und pharmazeutischen Formulierung genutzt werden.

History

Clapeyron leitete 1834 die Gleichung für die Steigungen von Phasengrenzen ab; Gibbs' Phasenregel aus den 1870er Jahren verlieh heterogenen Gleichgewichten eine rigorose kombinatorische Struktur, und Roozeboom und andere wandten sie systematisch an, um die Mehrkomponenten-Phasendiagramme zu konstruieren, die für die Metallurgie und Chemie von zentraler Bedeutung wurden.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Benoit Paul Emile Clapeyron
• Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Was bedeutet es, wenn ein Punkt in einem Phasendiagramm null Freiheitsgrade hat?

Es handelt sich um einen invarianten Punkt, wie den Tripelpunkt einer reinen Substanz, bei dem Temperatur und Druck beide fixiert sind; jede Änderung der Bedingungen führt dazu, dass eine der koexistierenden Phasen verschwindet.

Warum kann eine Zweikomponenten-Flüssigkeitsmischung manchmal nicht vollständig durch Destillation getrennt werden?

Einige Mischungen bilden Azeotrope, Zusammensetzungen, bei denen Dampf und Flüssigkeit identische Zusammensetzung haben, sodass eine gewöhnliche Destillation die Mischung über diesen Punkt hinaus nicht anreichern kann, ohne den Druck zu ändern oder eine weitere Komponente hinzuzufügen.