Phase (Thermodynamik)

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

In der Physikalischen Chemie, Thermodynamik und Materialwissenschaft ist die Phase ein räumlicher Bereich, in dem die bestimmenden physikalischen Parameter (Ordnungsparameter) und die chemische Zusammensetzung der Materie homogen, das heißt konstant und einheitlich sind^[1].

Zu den physikalischen Eigenschaften der Materie gehören insbesondere die Dichte und der Brechungsindex. Besonders 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. Eis im Wasserglas, mit einer festen und flüssigen (Wasser-)Phase.

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 2 Phasen vor (z. B. flüssiges und festes Wasser). Bei Knotenpunkten können entsprechend auch 3 (beim Wasser der Tripelpunkt) oder mehr Phasen vorliegen.

In Mehrstoffsystemen werden die Diagramme entsprechend komplizierter, da man z. B. im Zweistoffsystem bereits 3 Variablen berücksichtigen muss. Es können hierbei reine Phasen (eine Einstoffphase neben anderen Phasen) oder Mischphasen entstehen. Um so 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

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

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 Beispielen gezeigt wird:

• Ein Haufen Salzkörner besteht genau betrachtet aus einer Vielzahl von einzelnen Phasen, ähnlich wie die Fetttröpfchen in der Milch. Im Sprachgebrauch bezeichnet man die Gesamtheit dieser kleinen, aber einander sehr ähnlichen Phasen, als eine Phase.
• 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 homogen erscheint.
• Ein anderes Beispiel ist wasserhaltiger Dampf, der aus zwei Phasen besteht: (1) Kondensatröpfchen und (2) 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. Genauer betrachtet sind aber eine Vielzahl von Mineralien inhomogen und besitzen Regionen unterschiedlicher Zusammensetzung, was häufig bei genauerem Hinsehen erkennbar ist.

Man erkennt, das bei mehr oder weniger identischen Phasen (Tröpfchen und Partikel in Emulsionen oder Dispersionen) meist von einer Phase gesprochen wird.

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.

Einzelnachweise

1. ↑ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook.

Siehe auch

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