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Phasengleichgewichte und Zustandsdiagramme Definitionen Komponenten sind die chemischen...
Date post:05-Apr-2015
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  • Folie 1
  • Phasengleichgewichte und Zustandsdiagramme Definitionen Komponenten sind die chemischen Bestandteile, die ein System aufbauen. Die Zahl der Komponenten ist die kleinste Anzahl der verschiedenen Bestandteile, aus denen sich die Zusammensetzung jeder am Gleichgewicht beteiligten Phasen in einer chemischen Gleichung ableiten lt. Beispiel CaCO 3 CaO + CO 2 K = 2 Phasen sind Anteile im System, die fr sich physikalisch und chemisch homogen und von anderen Anteilen durch Grenzflchen getrennt sind. Eine Phase mu nicht aus einer chemisch einheitlichen Substanz oder Komponente bestehen: flssige Lsungen, feste Mischphasen (solid solutions). Eine Komponente kann gleichzeitig in mehreren Phasen existieren. Freiheitsgrade sind Parameter eines Systems (Druck, Temperatur, Konzentrationeen der Komponenten), die ohne nderung der Anzahl der Phasen und unabhngig voneinander verndert werden knnen.
  • Folie 2
  • Gibbssche Phasenregel F = K - P + 2F = 0 invariant F = 1 univariant F = 2 divariant F > 2 multivariant Einkomponentensysteme (K = 1) F = 3 - P bedeutet: - whle 2 Parameter (z.B. p und T) d.h. F = 2, dann ist System festgelegt (pV = nRT) und zwangsweise einphasig (innerhalb gewisser Grenzen) oder: - ein einphasiges System, d.h. P=1, hat 2 Freiheitsgrade Druck und Temperatur kann frei bestimmt verndert werden Rest ist festgelegt
  • Folie 3
  • Flchen = divariant Linien = univariant Trippelpunkt = invariant Linienverlauf: nach Guggenheim-Schema dp / dT = dS / dV da Phasengleichgewicht: G = 0 = H - T S S = H / T p / T = H / (T V) Clausius-Clapeyron Abscheidung
  • Folie 4
  • Anomalie des Wassers
  • Folie 5
  • exakter:
  • Folie 6
  • Wasser mit etwas Salz: Gefrierpunktserniedrigung reine feste Phase (Eis) mit flssiger (zweikomponentiger) Mischphase (Lsung) Siedepunktserhhung reine Gasphase (Wasserdampf) mit flssiger (zweikomponentiger) Mischphase (Lsung) Wasser + X mol NaCl Hier: F=K-P+2 2=2-2+2 - Konzentration des NaCl = EIN Freiheitsgrad (der wurde mit der Zeichnung berets vergeben!) - Druck = 2. Freiheitsgrad dann System bzw. Koexistenztemp. festgelegt
  • Folie 7
  • Zweistoffsysteme wir halten den Druck konstant und verwenden X NaCl als Variable: T-X Diagramme trivariant divariant Peritektikum Eutektikum
  • Folie 8
  • Im bisher betrachteten Beispiel mischen sich die Komponenten nur in der flssigen Phase, nicht aber in der festen Phase. Eis, NaClx2H 2 O und Halit liegen nebeneinander als getrennte Phasen vor. Im System Albit-Anorthit mischen sich die Komponenten in der Schmelze und im X Hebelregel Mengenverhltnisse im 2-Phasengebiet ber die Verhltnisse der jeweiligen Steckenlngen fest : flssig = s : l
  • Folie 9
  • Zwischenstellung: Binres System mit Mischkristallbildung und Mischungslcke
  • Folie 10
  • Folie 11
  • Mischungslcke im flssigen Bereich: Zwei Schmelzen
  • Folie 12
  • Ternre Systeme Zusammensetzungen in ternren Systemen
  • Folie 13
  • Beispiel Zement
  • Folie 14
  • Das ternre Eutektikum Wenn aus den drei Komponenten eine flssige Mischphase und drei feste, nicht mischbare Phasen entstehen, ergibt sich ein ternres Eutektikum. Felder zeigen, welche Zusammensetzung der L mit welcher festen Phase im Gleichgewicht ist Zustandsdiagramm zeigt auch Kristallisationswege Temperatur der eutektischen Linie fllt von der binren Verbindung in Richtung ternrem Eutektikum
  • Folie 15
  • Beispiel: Sphene Wollastonit Anorthit
  • Folie 16
  • Abkhlpfad der Schmelze E Zusammensetzung des Gesamtsystems: P Wo kristallisiert Zusammenzetzung L rmer an Wo Zus.(L) Richtung 1 in 1: L+Wo+Sp Sp + Wo kristallisieren Zus.(L) rmer an Wo-Sp Zus.(L) Richtung E in E: L+Wo+Sp+An P 1
  • Folie 17
  • Hebelregel P 3 2 Bei 2: Gesamtsystem P zerfllt in L mit Zus.-setz.2 + Wo beide sind im Gleichgewicht Hebelregel zeigt wieviel % L und wieviel % Wo: %fest / %flssig = Strecke P2 / Strecke 3P
  • Folie 18
  • Hebelregel und Gesamtzusammensetzung der festen Phasen wenn L zwischen P und 1 Fest = Wo (3) wenn L zwischen 1 und E Fest = Wo + Sp Genauer: ber Hebel Bsp: L bei 4 F bei 5 Das heit: wenn L zw. 1 und E, dreht sich der Hebel um P 4 P 3 E 5 1
  • Folie 19
  • Tangentenregel Momentanzusammensetzung der auskristallisierenden Phasen Bsp: wenn Zus.(L) in 4, dann kristallisieren in diesem Moment 67 % neue Sp-Kristalle und 33 % neue Wo-Kristalle (kein Mischkristall!) 4
  • Folie 20
  • Binre kongruente Verbindung im ternren System
  • Folie 21
  • Zu jeder Feldergrenze gehrt eine Alkemadelinie Aufteilung des ternren Systems in Kompatibilittsdreiecke mit Alkemadelinien. Jedes Teilsystem kann als eigenes ternres System betrachtet werden. Temperaturen auf Feldergrenzen fallen immer von der zugehrigen Alkemadelinie weg. Bei Abkhlpfaden: Startzusammensetzung z.B. in Kompatibilittsdreieck A-B-C dann Ende der Kristallisation in Eutektikum A-B-C-L. Das Eutektikum mu nicht im Startdreieck liegen! Alkemadelinien
  • Folie 22
  • Die Alkemadelinie schneidet zwei eutektische Linien statt 3 fallen nur 2 oder 1 Temp. in Richtung des invarianten Punkts Der Gabelpunkt - Startzusammensetzung in ACD endet in E - Zusammensetzung in ABD endet im Gabelpunkt G Wichtig: Startzusammensetzung im grauen Feld - bildet zunchst B - in G reagiert alles B mit Schmelze zu D B + L D - dann weiter Richtung E
  • Folie 23
  • Binre inkongruente Verbindung im ternren System Die Reaktionskurve Die Tangente der Feldergrenze schneidet die Alkemadelinie nicht direkt sondern nur die (gedachte) Verlngerung aus der eutektischen Linie wird eine peritektische Linie Wechsel des Charakters der Feldergrenze sobald die Alkemadelinie wieder direkt geschnitten wird! Doppelpfeil ist Zeichen fr peritektische Linie Phasengrenze von SiO 2 T = konst.!
  • Folie 24
  • Binre inkongruente Verbindung im ternren System Die Reaktionskurve Reaktionskurven treten in der Regel auf, wenn die Zusammensetzung der festen Phase nicht im Koexistenz- gebiet der L liegt (nicht im gleichen Feld liegt). Die Reaktionskurve entspricht einem Peritektikum im T-x-Diagramm
  • Folie 25
  • Interessant: Kristallisationswege mit Startzusammensetzung im grauen Feld: Durch peritektische Rkt. wird eine bereits kristallisierte Phase resorbiert: Der Abkhlpfad verlt die Kurve wieder! Binre inkongruente Verbindung im ternren System Die Reaktionskurve
  • Folie 26
  • einige vereinfachte Grundregeln (Achtung es exisitieren Ausnahmen): - Diagramme geben immer den Phasenbestand des Gesamtsystems an - Gesamtsystem im Feld = 1 X Fest + L, Linie = 2 x Fest + L, E & G = 3 + L - zu jeder Feldergrenze gehrt eine Alkemadelinie - die Alkemadelinie ist die Verbindung der Zusammensetzungspunkte der festen Phasen der beiden Felder - die Temperatur der Feldergrenze fllt von der AL weg - schneidet die Tangente der Feldergrenze die AL Eutektische Kurve - wenn nicht Reaktionskurve (Doppelpfeil) - besteht ein Gesamtsystem P aus mehreren Phasen, gibt der Hebel durch P die Mengenverhltnisse der Phasen an - die Tangentenregel gibt die momentan neu kristallisierenden Phasen an - liegt Gesamtsystem P in Dreieck A-B-C, dann mu die Kristallisation in dem Punkt enden, in dem festes A, B und C mit einer Schmelze koexistieren knnen das ist ein invariantes Eutektikum oder ein Gabelpunkt, der nicht im Dreieck liegen mu - an einer Reaktionskurve oder einem Gabelpunkt kann eine gebildete Phase vollstndig resorbiert werden Gewinn eines Freiheitsgrades von Linie auf Feld oder von Punkt auf Linie
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