leseprobe - hamstern Sie Wissen!

t> j 0. Mehrphasensvsteme
Systeme. D.h.
Die bisher
Eigenschaften und alei-
sie weisen
e nicht im
LESEPRO
idteile auf mechanische
tzung auf, man kann die einzelnen Bes
ehe Zusamme
Shol-Wass
Systeme s
,d Mischungen aus z.B.
asgemische (immer hom
;en). Solche Stoffsyste-
me bestehen ai
enscha
D.h. eine Phas
.eiche
chemische Zus
Nun gibt es natürlich auch Systeme, die aus mehreren Phasen
me heißen heterogene Systeme. Die einzelnen Phasen brauchen s:
iden, sondern sie können sich'
n ihrer Zusammensetzung zu
B-physikalischen Eigensctj
cheiden. Als Beispiel
die
'äsiser (eigentlich ist* das' t31
Wasser
Zweiphase
»t lassen): beim Wasser hani
esitzt, wie jede Flüssigkeit e
e Wasserdampf oder^che
'druck, so daß si
'oberflä-
chen H2O, gas'
anderes
t und Graphit, beid?
ihysikalischen
Beispiel wäre eine MiSchJ
stoff, jedoch mit jeweils gi
Besteht eine Phase aus "nie
als Komponenten bezeichn'
as
ich-
r Kohlen.en
die Phase bilden,
offen, so werde
Beispiel:
eine Schmelze aus Blei und Zinn bildet schon bei
'emperatiuen eine
homogene Phase (300° - 400° C z.B. beim Löten),
onenten Blei uiui
Zinn besteht.
Das Verhalten der heterogenen Systeme
,ingungen abhängig. Sie
werden durch sogenannte Zustandsvariab
P; Temperatur T
LESEPROBE zelne:
bei Mehr-Komp
Konzentration C der ein-
Die Anzahl der
■ustandsvaiiablen, die Zahl der
itsgrade, läßt sich
hl der Komp
sog]
im einzelnen: Druck
eispiel ne!
te; da min<
'asenregel berechnen: F = K der Phasen; F = Anzahl der
der das Stoffsystem Wasser. Es besitzt
hase vorhanden sein muß, ist die maxi
reiheitsgrad
ma
2, die frei wälübi
variablen, die auftreten können, sind
ich Druck und Temperai
'nzentration C = const. ist, stimmt das "Ergebnis,
1 mit der
it überein.
en jetzt den Fall annehmen, daß alle drei möglich
!pf) auftreten, dann erhalten wir mit P = 3, K ^.l^-J7 =
dsvariable ist frei wählbar. Dieser Zustand
etr o
0. D.h., keine
unter äföz bestimmten
gungen, also einem bestimmten Druck und eine
ten. Denken wir uns jetzt den Zustand, bei dem
= 1 ergibt sich: F= 1-2+2=1. Man kann also
den
Eis, Wasser,
ten/Temperatur, auf
stieren, mit P = 2,
rstandsvariable, entweder
man den Druck frei, ist eine vom
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Phasen efdpQfnpö^QQ^)ie Tempe-I
Druck abhängige Temperatur nötig, um
ies Drucks. Existiert nur eine Phase, haben
kann alsotljau^uind jEeiongtatur in die-
ratur ist in diesem Fall also eine Funktioi
wir wie oben £äiftiäb[£ Äfsfefitsgrade,
sem Gebiet frei wanTenMjm das Verhall Bn der Stoffsysteme graphisch darzustellen, |
verwendet man sogenannte Zustandsscl
standsvariablen (bei mehreren Komponej
Jch
die Konzentration der Komponenten aui
nenten konstant halten, um ein zweidimensional darstellbares Diagramm zu erhalten.
Man sucht sich
rlichjdie beiden interessantesten Zustandsvariablen aus). Da beim
Wasser nüf zwei^
Stoffsystems in. (
svariablen auftreten, -kann
^Veränderungen des
rdinatensystem aufzeichne.
der Dampf-
qualitatives
ZustandsdiagramiTK
ckkurve und der.
melzkurve
en
des Wassf rsii
(w
beschrieb
de T(p)) existie
ren zwei Pha
den
schrj
Gebieten si,
T frei wä
Tripelpunkt1
gelegt
der
LESE
Zustandsscl
Wichtig bei Zweikomponen
rungen (Legierungen mit
bnenten sin
phisch schwer erfaßbar
stantgehalten (= isobares
schiedener Konzentrat»
von Metallen unte:
on
wie oben
, daß sie graer Dmck kon-
und das Vei
;egierungen ver-
rhöhung aufgezeic
igig von physikalischen
Mischung
chaften und
Atomradienverhäl
irhält, gebe ich zwei qualitative Beispiele .
1.
n und flüssigen Zustand vollständig ineinander.
Zwei Metalle
lösbar sind.
100%
0%B
Masseniffozente B
|_ Soliduslinie = Euiektikal
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2.
Zwei Metalle A,B, die im festen Zustand nicht ineinander lösbar, im flüssigen
Zustand jedoch vollständig lösbar sind.
Mit der Phasen:
Phase (P=l)
F=2-l+2=
in einem Gebiet alle
drei Zustands
LESEPR«
von 2 Phasen (P = 2)
-ffgibt sich: F
leren, im C-TPhasen existier
iustandsvariablen variergeben, in dem zwei
wieder eh
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Zu 1.: Wir be
A, 20%
ist eine homogene Schmelze vorhanden, ab Tj beginnt das Zweiph
tehen Mischkristalle aus A und B, da beide Stoffe ja auch im fe
einander lösbar sind. ■Wirt.hatt
)Jen frei wählbar^ dä"wtt
itsgr.ad weggefallen, damit
agramm haben, muß jeder
dem Mischkristalle und dar;
s zu verdeutlichen," wird d
im Zweiphasengebiet seien z
vonj\nfang an festgelj
einer übriggeblie
nö" bestimmte K
auch in der Sc
1, T2 unserer
herausgezeichnet
chtung
A1
der
T'
„l"
Abzisse
ich die Konation
des
loffes B in der
Schmelze ablesen,
in Richtung „2"
auf der Abzisse
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entsprechend
die
Konzentration von
Allgemein gesp^
Schnitt der Isothermen (Linie
imC-T-Dia '
an auf der
der Solid
nden MischkrT
% A, da bei T,
durch \ oder T') mit der
Konzentration von B in der Schmelze;
iie Konzentration von B im Mischkristall,
so eine Konzentration ^EBBPROB
hkristalle kristallisieren, behält die
ie Konzentration 20 % B; 80 %
st also genau genommen kein einheitliches
ie Phasen ändern sich ständig. Darum wird diese
angesprochen.
: B und A sind im festen Zustand nicht lösbar," es*
e. Es existiert jedoch ein Gemisch, in unserenuju;
65 % A, das einen einheitlichen Schmelzpunkt besii
rher Stoff A oder B aus-kristallisieren. Dieses Eutefei]
;ebiet existent,
anchrnal
keine Misch-
:1 aus 35 % B
:rstarrt, ohne daß
feinst mögliche
iemisch der Stoffe A-B. Man kann sich sein Entstehen aö£h so vorstellen: Die Lö-
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süng eines Stoffes in einem anderen bdBingt irnmer|e|5g|JHpf$©BEles Schmelz
punktes. Am Eutektikum ist die ErniediKung des Schmelzpunktes von B durch Löse:
des StoffeL^g]gpi|^3^uedrigung |es Schmelz^tföpgpi^f^ch Lösen de
Stoffes B.
Nehmen wir wieder das Gemisch aus
auszukristallisieren, sinkt die Temperai
Restschmelze die Konzentrationsverhältnisse des fcutektikums erreicht ist, dies ist Dei
TE der eutektischen Temperatur geschehen. Unterhalb dieser Temperatur erstarrt die
Restschmelze zum Eufoktikum, die die ausgefallenen A-Kristalle einbettet Hier sind
die Gebifete^A.^^^VWe "A+Eutektikum" Zwelphas^ngSfceteT&enn man das Eutek
tikum" als £Tg£i@&iifäaS&^t da das Euteldikuröjmita^^tojrisphanischen Mittehi nicht mehJ^nreSnea fcfrund makroskopisch emtid(ffighf«!fcSmt.-Wie bei 1 sin<
Temperatur un$Kqgzenjfation von einander abhängig,
Daihir die Liquidusl
als/ausgeprägte
T,
stiert,
Ki
währe
Soliduslinie
Isothermen, d
TT
A + Eut
B + Eutektikum
kalen geword
sich nur die K
onsverteil
bestun-
men, indem man unter „1" auf der Abszisse den zugehörigen Wert
30 % B und entsprechend 70% A
,Mehi
KL
Jetzt knüpfen wir an den
;n-Gemischen.
aph an. Dort haj
jsgleichgewicl
handelt, die in einer Phas^
sen beteiligt sind, werde
igsquotient
idensierte Pl
festen Phasen reduziert?
tration weitgehend konstant*
Beispiel, dem Wassj^Ültleuten:
1 ein. Das
be-
:n menrere Phandensierten und
da ihre Konzen;erem beliebten
H2°(fl) * H2
oder:
ir vereinbaren: fl = flüssig; f = fest; g = gasförmig.
&
Wichti;
n nur feste Phasen vor, kann das MWG nicht zur
dungka
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AUFGABEN zu KAPITEL 10 und 9
^Aufgabe 1
a) Welche Phasen
im Gleichgewich1
shen
Wassers nit ein ander
si hd nach der
am lr
und welcTrl
Gibt)'sehen Phast iregel frei wählbar?
Zustanc
bl/ig1f
wählbar
Silber
Lösung:
a)
Am Tripelpunkt
Schmelze
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\q
n
TIf q o O O T* Q
im
aus
r.1
Wasser ist ein System aus einer Komponente. Mit der Gi,
Phasenregel lassen
der frei wählbaren
-P+2. Mit K=1
sich die Freiheitsgrade, d.h. die
Zustandsvariablen berechnen, nac'
= Anzahl der Komponenten, P=3= Anz
hasen ergibt sic"h-:-..P=1-Q^,2=f0l, d.h. keine Zustandsva
fi* frei wählbar'.■•&-na-e^SgTffer Temperatur od
^fne Phase zum vörsifflie^yffirillin solches
inVariant,
_
.
hl der komponenten
ar feine
Phase,
F=2-Ä>2=3.
%lei unä Silber- is
ze
nämliph dieVSß&m&ize
existen
sind frei wa
Drei Zus-tahds-J
■LndsschauBedingung
Wieviel
äreichen
Nebenste
bild wurj
P=const
Phasen
1-5e
dabei üb
3 s
ab
rläßt
fiche
2
sich
;
iustandsvariin
den
einzelnen
ählbar?
too..
LESI
Es
zwei
handel
vollstän
igen
Stoffe A
erkennt
den ist
mit
Zustand
esten^jedoch nicht
lösbar si
die Soli
zur
folg
(das
Isothermen gewor-
r Phasen
ie homoge
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+ Metall A)^
+ Metall B),
11 A + Eutektikum)
1 B + Eutektikum)
Bef
'•>>
ändern sich die Konzentrationen de
A ständig. Ein einheitliches Phasen'
istent,
ndert.
t
da die Phase Schmelze ständig
gesetzt ist, verlieren wir
P+2 wird F = K-P+1 ,mit K = 2
+1
=2,
im Gebiet©
-• ^T"
ergibt*
läßt sich Druck\u:
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zentra-
tion verändern,
©
ohne d
F = 2- 2+1=1,
die andere
eins Z
ist von
ihr
ur in diesem Bereich,
sammensetzung
(2
Es gelten übertragen die
Gibbs1Phasenregel
ist
Phasen handelt, die
Umlagerungen fähig sind.
\(\
oft Nebel,
lehre.
bildet sich an kalten
mit den Gesetzen-dsr
Lösung
E.s handllfi^si^h um ein Zwei-Kompone:
m: Iffasserda
"Lutt Gwwfei Aift als eine Komponent
n wird,
sttmÄ&nsetzunlywährend des Versuchs
var^ablft Dryfck ist fest, dadurch*
da
leibt). Die
\fJt&K -P+1, hier: K=2, au
die Gibbswir,
die Kq
einen
ssen
ändert und davon
an fff^Luft gelöstem Wasser, d.
aben
grad F=1, wir setzen ein:
1=2-P+1
**> P=2. Es muß also ein heterogenes Gern
Fall
ein Nebel
-
entstehen.
4;
a)
b)
Wieviel Zustandsvariablen
Wassers frei wählbar^
sind längs der
V.'ieviel Freiheitsgrade besitzt die LuffX
Lösung:
r
Einkomponent
regel ein:
able ist fr,
Es existie4
stimmt er 1)
istieren 2 Phase
setzen dem
1+2-2=1.
zweite
bestimi
ich ein
nis 4:1 auffas
erunr e in igung aufg
2-1+2 =3. Man kann drei
Säuerst
ponent
wir P
bs-Phasentandsveri-
von ihr abhängen,
ratur
system
omponenten1
b) Man kann
ine
ein
be-
einstellt.
Stickstoff und
restlichen KomDamit hab|
,stand3v.arii
ie Phase verschwindet über e_in' "Getäi-e.
Temperatur oder Zusammensetzung"
frei
egal
(eigen
an nur
eine Konzentration ändern,
ert sich automatisch der/prozentuale
Gemisch)
für folgende Reaktionen das Massenwirku
nseinheiten!
(g)
^> H5COH (g)
*"
Tg)
(f)
+
Cl
2 Fe
(f)
+ Al2O,(f)
(g)
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d
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V.'ie ändert sich die Ausbeute an den Produkten in (a) bis (d) beij
DruckerhöhungJ
Lösung;
dali ieste und
Wenn man beachte
MWG eingehen, d.
SlCh
kondensierte PITäpen nicht
ins
ihre Kc^BS'EPROBE gesetz-q||wird, ergibt
CH3COH
c) Da hier nur f
wirkungsgeset
Druckerhöhung nimiat^w
jier
r
Teilchenzahlver:
rechts
Reaktiacvon*"
die
u
) und d) hat eine Dr
gaiförmiger Teilchen auf
ing "wegen der
eiten der G
auf die Austjieute
entfällt.
ufgabe
6:
Formulieren Sie
Reaktionen
das Massenwirkungsgesetz
H2°(flüssig)
FeS(fest)
Fe(fest)+S(fest)
<fA1(fest) +5 02( }
nicht berücksichtigt.
LESEPROBE
auftreten,
G
nicht
2 A12°3(fest)--•'.";.feste Phasen werden nicht berücksich
en
Sie
das
Massenwirkungsgesetz
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für
anwendbar.
ie wirkt Temperaturerhöhuf
auf di
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Lösung i
+H
2t g)
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Kp = p HpO, die festen Phaj
Fe2°3(ff3O(f) ** 2 Fe(D +5C°(g)
Kp
er gehen die festen Phasen
nicht ein, der Koeffi
Ph
•.-•.!
^
der Reaktionsgle'ich-ung
zient'aes,
efn".
-2
Phasen
au;
——^
"■ *
• ■'"v\m MWG als Hochzah"
•»
iar.,
Das MWG
Reaktionen
Da. mir
ge S'
as Reaktion
ts verschob
auftrete
jiden ersten Fä-ljen
Prinzip vom ?
:em weicht dem ■ä^ißgfien
Das
da nur fe
indem
fern . Fall
der Tempera-b^e
Zwange-T„„M_.
.
... . .... ,.,.öhunfe1^
.^-^ aus,
Biidun
wird, was nur mögli
iie endothe
(nf der rechten. Reaktionäre'
(wie aus dem positiven
für Reaktionsgleichungen
' aukte bezieht),
AH-Wert zustehen ist, der s
angegebenen Werte,
(siehe 7.)
auf die
ro-
Die dritte Reaktion-unterliegt nicht dem MWG. Da hie'
Gleichgewicht auftritt,
kann
auch kein Gleichgewicht
werden. Die Umsetzung des Gitters von
in
«-Fe
(kubischflächenzentriert)
tur ab. D.h. bei
des
^•iert)
>^Fe (ku'
läuft bei
e'
ten
* °/IO°C klappt das kubischr^^
y-Fe in das kubischflächen zentrierte Git,™» d
Formulieren Sie d
und beschreiben
re
um.
aktionen
wrrkungsgesetz
ng reagieren,
ies»Eeaktionen
S
Temperaitter
LESEPROBE
.ometrischen
}-quotienten
ein,
die
feste
Phase
Shtigt. Aus 2 gasförmigen Teilchen
gasförmiges Teilchen. Von rechts nachili
ein
Fso das Volumen des Reaktionssystems,
vera
wesentlich weniger Raum einnehmen als
ruckerhöhung verschiebt sich das Reakt^ionsgleich-
festen
Teilchen,
gewicht
chts)
Koeffizienten gehen
3n
Seitf
ste:
Zwangt
snvergröl
;enden
Dilul
Druckmini
IC (nach de
TffTigt die
Gleichgewich
srung versucht das
luszuweicl sn.
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25*
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Prinzip
linke Seite,
lldem fallen%
2H
2H2°(g)
2(g) +02(g)
pH? pO?
Kp
Es
handelt
sich um
Einphasengleichgewicht.
flen Komponenten
;öchiometrischen
»bei die
sörigem Pf rtialdruck eingevon
5 Teilchen, also
P H20
LE
ein
ins MWG,
als HocJ
Faktoren wie imme
hen entstehen
hen. Aus zwei Tei
Jach dem Prin-(
statt.
rechts eine
bei Drul cerhöhung nach
Leinsten Zwang
Begründuag analinks, bei Druckin nderung
g nach rechts verschoben
log zur vorherige:
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mHtSkitd
CH30H(fl)
Kp
= p CH,OH,die kondensierte Phase(CH,OH
ein.
Da
nur
geht
ein Partialdruck ins MWG
ni
eingeht,
n nicht druckabhängig.Qlanßiann es auch mit der
ünden: F = K-P-pS^fTjteW P=2 (2 da flüss
Fnäse vorlieget)
Äpifilri?-..2"11 •
wir h
sgrad. Die Konzentrafti^nXä«? .konstant, da
des CH,OH^, s = 1 unk die KoftzeiTtration "'
onal pCH^OH
j=Kp.=con^/»iasr. Also ist
e"r Druck von der^effipreratur ^hängig. D.h.
_^
ändert sich zwar mit 5(|r^^p§p6tur, ist
.clc
'hängig.
gem.; Daß sich der Siede"ptf$?fc des Wassers
Flüssigkeit
(so
auch CH,OH) mit dem Druck
daran, daß die gesamte •*
Flüssigkeit erst
förmigen Zustand übergeht, also sieden kan
druck größer als der Umgebungsdruck wird.
9;
'örmigem
Bei 1400 K bildet sich aus festem
Siliciumtetrafluorid gasförmiges Si
pien
,
AH betragen Jjfi&der genannten
a) Man siSli^paie^Reaktionsgl
Tempe
e) \
Die Enthal140C K: 28
.
konstante
Aurde
auj
b) Man ]§iPchÄBrdl^toeaktionse
c) V/iej^P^<^asejfflOT?.nd an de
d) in ^piffliirriiiiifOiri
i
bei 1400 K!
beteiligt?
mit dem Druck und
produ
r Partialdruc
r Partialdruck
ukts im
g
ciumtetrafluorid
mit
5
trägt?
ichgewicht bei 1400 K doppelt. s.öVi-eljnte traf luorid vorliegen soll, -*"-'---'
if luorid
der
sein?
2SiF
He)
7.
alpie
bekannt,
AHjp
der
2(g)
berechnet
sich die Reakäffo^enthiferpie
(ktions-
ist also die Differenz aus d^fsumme der Enftn
f-pprih tsfifti t:i pr^n )
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Stoffe minus der
Summe der Enthalpien der
n diesem Fall also
=
-V, X-LU-H-üüex OX£,WU J
2.(-555,6)-(28,0-'
Wer"sL£S€iJElRQQEdaß Si
barung, daß Reinelemente
Enthalpie aufweist, bedenl
A hS
—öTTUTTI
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07,9)
» 368,7 kJ/mol
tlsnReineWffiJterehbs'l%8n der Vei
=0 besitzen,
eine positivell
auf Standardbedingur
in-
sm
2 Phasen
von links nach rechts findet eine Volumenvergrößerung statt.
D.h. eine Druckverminderung begünstigt die Reaktion nach
rechts
(sgfehe^Aufgabe 8
),
wenn man dem Prinzip vom kleinsten
Zwang'.tGaSfe^tam erhöht demnach die.. Ausijffeutg^ Die Reaktion
i"s*€end.o^PiÄWb«lgende Temperättir^wjjgrwi&o nach dem Prin-,
zip vom plijq^^pT^wang (analog* ÄU--AvafeP#3^-*ie Ausbeute
vergröße
2
I.O.IO"1*;
e)
p SiF^ = 5l^.^"VSn das MWG e
\setzt:
,0.10"5 aj
5,0.10
f)
Es
soll gelten:
(Es war
p Si F2=2p
zwar gef
daß doppelt so viel, also doppelt so viel Stoff SiF
aber Druck und Stoff sind proportional (wie in d
des vorherigen Kapitels festgestellt wurde). Fi "
den MWG-Quotienten
jetzt
2 pSiF^ eingesetzt
,2
(2pSiF4)'
SiF,
= 2,0.10'
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bl
£,
-Ur
4- pSiF4 = 2,0.10'
0,5
(Die Maßeinhei
Einfachh
p
SLF
SLF^
=
und
.10
weggelassen)
= 1.10"4 atm
,5 ,10~4 atm
2 pSiF.
5.10
aus P
10:
ß von Temperatur- und Druckänder'ung
Diskutieren
die Gleichge
H2S
3/2
so
AHR
= -
kcal
.
Lösung:
Von li
folge
Drucke
zip vom
zeigt eine
günstigt die
verringert sich die Teilchenzahl iin<l<p
lumen, da es sich um eine Gasreaktion~
'gert also das Gleichgewicht nach rech-^s
r2wang;
analog Aufg. 8 ). Das negative
me Reaktion an.
ssei
n endo
nwirkt
lerm
""*_
Eine Temperaturerhöhung
veria*
(Anwenduni
Erhöh ur
vom
kle
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"" be-
der Edukte
der Temnsten
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