Phase (Chemie)

Zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten bilden ein Zweiphasensystem (obere Phase Ether, untere Phase Wasser)

In der Physikalischen Chemie, Thermodynamik und Materialwissenschaft ist die Phase die Gesamtheit der homogenen Teile eines thermodynamischen Systems, auf die keine äußeren Kräfte wirken, die also auch physikalisch homogen sind. Gekennzeichnet sind Phasen immer durch einen Ordnungsparameter, der in diesem Gebiet einen innerhalb einer Größenordnung konstanten Wert besitzt.

Zu diesen Eigenschaften der Materie gehören insbesondere die Dichte, die chemische Zusammensetzung und die Ordnung. Wichtige Phasen sind die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, die sich in der Dichte und Ordnung unterscheiden.

Homogenität

Der Fettanteil von Milch bildet eine eigene Phase in Form kleiner Tröpfchen

Viele Stoffe scheinen auf den ersten Blick eine Phase zu sein, sind aber bei genauerer Betrachtung heterogen zusammengesetzt und bestehen aus mehreren Phasen.

• Ein Beispiel dafür ist Milch, die hauptsächlich aus einer Emulsion kleiner Fett-Tröpfchen in Wasser besteht. Sie stellt also ein zweiphasiges System mit einer Wasser- und einer Fettphase dar.
• Ein anderes Beispiel ist wasserhaltiger Dampf, der aus zwei Phasen besteht: (1) siedende Flüssigkeit und (2) trockenem gesättigten Dampf.

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.

Verhalten

Unter manchen Bedingungen können mehrere Phasen gleichzeitig stabil sein, beispielsweise existieren bei 0 °C Wasser und Eis gleichzeitig, entlang der Dampfdruckkurve koexistieren Wasser und Dampf. Es können sogar mehr als zwei Phasen miteinander koexistieren, der Tripelpunkt ist ein Beispiel. Allgemein lässt sich mit der Gibbsschen Phasenregel die maximal mögliche Anzahl der koexistierenden Phasen berechnen.

Um die gesamten möglichen Phasen eines Systems übersichtlich darzustellen, werden sie in ein Phasendiagramm eingetragen. Ein Beispiel-Phasendiagramm ist das Phasendiagramm von Wasser.

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 betrachtet werden. Dabei ist die betrachtete Längenskala relevant, wie in den folgenden beiden Beispielen gezeigt wird:

• Mizellen sind zwar extrem klein, sie bestehen nur aus wenigen Molekülen, aber dennoch können sie als kondensierte Phase zu den Einzelmolekülen aufgefasst werden.

In gewissem Umfang dürfen auch Inhomogenitäten auftreten: So sind beispielsweise die minimalen Unterschiede in Gasen aufgrund der Gravitation (Konzentrationsgradient, Schweredruck) oder die leichte Änderung der Zusammensetzung von Kristallen an ihren Oberflächen möglich. Dabei ist die Einführung einer neuen Phase nicht gerechtfertigt, da die Eigenschaften sich nicht abrupt sondern kontinuierlich verändern und daher keine Grenzfläche existiert.

Siehe auch

• Homogenes System, Heterogenes System
• Phase (Schwingung)
• Aggregat
• Mischbarkeit