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Phase (Materie)


Die Phase ist in der physikalischen Chemie, Thermodynamik, Materialwissenschaft oder Strömungsmechanik ein räumlicher Bereich, in dem die bestimmenden physikalischen Parameter (Ordnungsparameter, wie die Dichte oder der Brechungsindex) und die chemische Zusammensetzung der Materie homogen sind.[1] Eine Phase im Sinne der Thermodynamik ist jeder homogene Teil eines Systems.[2]

Häufig wird der Begriff verwendet, um Anteile eines Systems zu bezeichnen, in denen ein Stoff in verschiedenen Aggregatzuständen (fest, flüssig und gasförmig) vorliegt, z. B. Wasser (flüssige Phase) mit Eiswürfeln (feste Phase) in einem Glas. Dennoch können auch innerhalb eines Materials im selben Aggregatzustand mehrere Phasen mit verschiedener Ordnung auftreten, wie z. B. beim Übergang von ungeordnetem Kohlenstoff zu Graphit oder beim Übergang zur Suprafluidität in flüssigem Helium.

Homogenität

Die Homogenität der Phase lässt sich am Beispiel vom Eis im Wasserglas gut weiter verdeutlichen. So erscheint das Wasser im Glas als ein homogenes Gebilde. Der Eiswürfel zeichnet sich durch einen unterschiedlichen Brechungsindex (man sieht die Kanten unter Wasser) sowie eine andere Dichte aus (der Eiswürfel schwimmt obenauf). In sich ist er aber wieder homogen. Ebenso wie das Glas, das für sich eine homogene Phase bildet.

Verwendung des Begriffs

Der Begriff der Phase wird in erster Linie verwendet, um zwei oder mehr Bereiche homogener Zusammensetzung und Eigenschaften voneinander zu unterscheiden. Dies hängt damit zusammen, dass in der Thermodynamik typischerweise Sachverhalte interessieren, die mit Austausch von Energie oder Materie zusammenhängen. So kann ein Stoff beim Schmelzen von einer festen in eine flüssige Phase übergehen (Phasenübergang). Ebenso kann beispielsweise beim Lösen von Salz Materie von der festen Salzphase in die flüssige, wässrige Phase übergehen.

Ein Spezialfall der Anwendung des Begriffs tritt bei der Bezeichnung verschiedener Aggregatzustände und Modifikationen eines Einstoffsystems auf, wobei die Phase hier meist synonym mit diesen beiden Begriffen verwendet wird.

Stabilität von Phasen

Stehen verschiedene Phasen miteinander in Wechselwirkung, so sind diese nur unter bestimmten Bedingungen stabil. Diese Bedingungen (meist Druck, Temperatur und Zusammensetzung) können in einem Phasendiagramm aufgetragen werden. Hier kann man schnell ablesen, wie viele und welche Phasen sich bei bestimmten Bedingungen stabil sind.

Anschaulich ist dies besonders bei Einstoffsystemen, da sich hier die Phasen nur durch ihren Aggregatzustand oder ihre Modifikation unterscheiden können. Befindet man sich auf einer der Flächen in diesen Diagrammen, so liegt nur eine Phase vor, befindet man sich auf einer Linie, so liegen zwei Phasen vor (z. B. flüssiges und festes Wasser). Bei Knotenpunkten können entsprechend auch drei (beim Wasser der Tripelpunkt) oder mehr Phasen vorliegen.

In Mehrstoffsystemen werden die Diagramme entsprechend komplizierter, da man z. B. im Zweistoffsystem bereits drei Variablen berücksichtigen muss. Es können hierbei reine Phasen (eine Einstoffphase neben anderen Phasen) oder Mischphasen entstehen. Je mehr Komponenten enthalten sind, desto mehr Varianten für die Ausbildung von Phasen gibt es. Allgemein lässt sich mit der Gibbsschen Phasenregel die maximal mögliche Anzahl der koexistierenden Phasen berechnen.

Wenn zwei oder mehr Phasen nebeneinander vorliegen, bilden sich Phasengrenzflächen, an denen sich die Eigenschaften und damit der Ordnungsparameter abrupt ändern. Die Phasengrenzflächen zwischen unterschiedlichen Phasen sind ein spannendes Forschungsgebiet, da hier zum Beispiel chemische Reaktionen ablaufen können oder sich die Eigenschaften des Stoffes im Vergleich zum Inneren der Phase verändern.

Neben den stabilen Phasen können auch metastabile Phasen existieren. Das sind Phasen, die nicht thermodynamisch stabil sind, aber dennoch über längere Zeiten existieren können. Beispiele sind Diamant bei Normalbedingungen oder Glas.

Schwierigkeit des Homogenitäts-Begriffs

Homogenität ist hier ein schwierig zu fassender Begriff: Je nachdem wie genau man den Stoff betrachtet, kann er als einphasig oder mehrphasig erscheinen:

  • Milch besteht hauptsächlich aus einer Emulsion kleiner Fett-Tröpfchen in Wasser. Sie stellt also ein zweiphasiges System mit einer Wasser- und einer Fettphase dar, auch wenn sie auf den ersten Blick wie eine homogene Flüssigkeit aussieht.
  • Ein Haufen Salzkörner besteht aus einer Vielzahl von einzelnen festen Phasen (Salzkörner), die alle von einer gasförmigen Phase (Luft) umgeben sind, ähnlich wie die Fetttröpfchen in der Milch. Im Sprachgebrauch bezeichnet man die Gesamtheit der kleinen, einander ähnlichen Salzkörner als eine feste Phase.
  • Ein anderes Beispiel ist wasserhaltiger Dampf, der insgesamt homogen wirkt, aber aus zwei Phasen besteht: Kondensattröpfchen und gasförmiges Wasser.
  • Mizellen sind zwar extrem klein, sie bestehen nur aus wenigen Molekülen, aber dennoch können sie als kondensierte Phase aufgefasst werden, während eine Lösung von Mizellen auf das Auge einen homogenen Eindruck macht.
  • Ein Stein ist auf den ersten Blick eine Phase. Viele Gesteine bestehen jedoch aus verschiedenen Mineralen - dies ist bei genauerem Hinsehen erkennbar. Jedes Mineral bildet eine eigene Festkörperphase.

Man erkennt, dass bei einer bestimmten Anordnung der Phasen (gleichmäßig verteilte kleine Tröpfchen oder Partikel in Dispersionen) oft von nur einer Phase gesprochen wird.

Außerdem können auch in definitionsgemäß homogenen Systemen in gewissem Umfang Inhomogenitäten auftreten. So sind beispielsweise minimale Konzentrations- und Druckunterschiede in Gasen aufgrund der Gravitation (Konzentrationsgradient, Schweredruck) möglich, oder die Zusammensetzung von Kristallen ist an ihren Oberflächen leicht verändert. In solchen Fällen spricht man nicht von zwei Phasen.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Eintrag zu phase. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.P04528 .
  2. DIN 1345:1993 Thermodynamik – Grundbegriffe

Kategorien: Thermodynamik | Werkstoffkunde

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