System, Zustand & GIBBSsche Phasenregel

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System, Zustand & GIBBSsche Phasenregel
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Wie beschreibt man Chemie mit Zahlen?
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1
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CC Attribution - NonCommercial 3.0 Germany:
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Publisher
Release Date
2013
Language
German

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Subject Area
Keywords Physikalische Chemie Thermodynamik
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Physical chemistry Gibbs' phase rule Ausgangszustand General chemistry General chemistry
Molecule Physical chemistry Phase (waves) General chemistry Atom Chemical reaction
Molecule Phase (waves) Nitrogen Species Mixture Gas Zweikomponentensystem <Molekularbiologie> Oxygen
Chemisches Potenzial Physical chemistry Density Gibbs free energy Amount of substance General chemistry Stoffmengenanteil Gibbs' phase rule
Phase (waves) Density Molar volume Helium
Density Gas
Herrschaften, ich darf Sie begrüßen zu unserem Kursus "Physikalische Chemie". Mein Name ist Dr. Lauth.
Unsere erste Lektion heißt: "Was ist überhaupt Physikalische Chemie?" oder anders formuliert "Wie beschreibt man Chemie mit Zahlen?" Genau das ist es, was die Physikalische Chemie will, Chemie - Stoffe, die von einem Ausgangszustand zu einem Endzustand reagieren - mit Zahlen
zu beschreiben. In der Physik arbeitet man häufig mit dem Konzept des Massenpunktes. Man "komprimiert" den Gegenstand, dessen Bewegung man beispielsweise untersuchen will, zu einem Massenpunkt und fragt sich, wie man die Bewegung dieses Punktes mit Formeln beschreiben kann. In der Chemie ist das keine praktikable Möglichkeit: Hier haben wir sehr viele Massenpunkte, nämlich unsere Moleküle, unsere Atome, die chemische Reaktionen durchführen. Es ist nicht sinnvoll, jeden Massenpunkt einzeln zu beschreiben. Tatsächlich macht man es so, dass man die Massenpunkte, die einen interessieren, zusammenfasst, und als SYSTEM bezeichnet. Ein SYSTEM ist ein Teil des Universums, in dem sich sehr viele Teilchen befinden. Die Aufgabe der Physikalischen Chemie ist es nun, dieses System mit Zahlen zu eschreiben. Außerhalb des Systems befindet sich die Umgebung. Zwischen System und Umgebung sind reale oder gedachte Grenzen. Je nachdem, ob diese Grenzen energie- oder massedurchlässig sind unterscheidet man offene Systeme, geschlossene Systeme und isolierte Systeme. Eine sehr abstrakte Formulierung aber dafür auch universell anwendbar. Das Volumen Luft in diesem Behälter ist zum Beispiel ein geschlossenes System: es kann zwar Energie mit der Umgebung austauschen (Wärme und Arbeit) aber wir haben keinen Masseaustausch Der Inhalt einer Thermoskanne ist ein isoliertes System. Hier sind Energie- und Materieaustausch ausgeschlossen. Jedes offene Gefäß ist ein offenes System; die obere Systemgrenze ist nur eine gedachte Grenze. Um ein System eindeutig zu beschreiben,
benötigen wir mehrere Zahlenangaben. Wir schauen uns zunächst einmal an, ob das System homogen ist oder ob mehrere PHASEN vorliegen.
Die erste Zahl, die wir benötigen, um ein System zu beschreiben, ist die Anzahl der PHASEN. In diesem System haben wir eine dichte Phase, eine Flüssigphase, und eine weniger dichte Phase, eine Gasphase, genau hier gezeichnet. Das ist ein Zweiphasensystem. Dieses System ist ein Einphasensystem. Auch das zweite System auf der Abbildung ist ein Zweiphasensystem Vom Begriff der PHASE zu unterscheiden ist der Begriff der KOMPONENTE. Hier geht es darum, wie viel Arten von Teilchen in unserem System vorhanden sind. Wir haben hier zwar zwei Phasen, aber wir haben nur eine Komponente, nämlich die hier weiß dargestellten Teilchen. Auf dem zweiten Bild haben wir zwei Phasen und
zwei Komponenten. In diesem Gefäß haben wir nur Wasser vorliegen, also H2O Moleküle. Auch dies ist ein Einkomponentensystem. Luft ist eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff, das heißt, wir haben hier mindestens ein Zweikomponentensystem. KOMPONENTEN und PHASEN sind zwei wichtige Zahlenangaben für ein
System. Sie reichen aber noch nicht aus, um das System eindeutig zu beschreiben. In der Tat benötigen wir noch weitere Größen - weitere Zahlen - um das System so zu beschreiben, dass es jeder auf der Welt nachstellen kann. Diese Zahlen - üblicherweise auch mit Einheiten versehen - sind sogenannte Zustandsgrößen, physikalische Größen wie zum Beispiel die Masse oder das Volumen. Viele dieser Größen kennen wir aus dem Alltag und es sind Eigenschaften, die wir dem System zuordnen. Die Masse als eine Eigenschaft, die mit dem Gewicht zu tun hat. Das Volumen, eine Eigenschaft, die die Ausdehnung des Systems quantifiziert. Diese ZUSTANDSGRÖSSEN - wie man auch sagt - sind SINNVOLL, weil man das System damit quantitativ charakterisieren kann, und sie sind MESSBAR. Das sind die einzigen Anforderungen, die wir an eine Zustandsgröße stellen. Masse und Volumen sind extensive Zustandsgrößen: eine Verdoppelung des Systems führt zu einer Verdoppelung dieser Größen. Die Dichte - eine weitere Eigenschaft, also eine weitere Zustandsgröße - ist dagegen eine intensive Zustandsgröße. Bei Verdoppelung des Systems bleibt diese Größe unverändert. Die Stoffmenge - in der Chemie sehr häufig verwendet - ist wieder eine extensive Zustandsgröße. Der Molenbruch (bei Mehrkomponentensystemen) ist eine intensive Zustandsgröße, eine Angabe über die Konzentration. Wichtige intensive Zustandsgrößen sind die Temperatur und der Druck. Die Thermodynamik - eine Sparte der Physikalischen Chemie - erfindet nun weitere Zustandsgrößen und zwar, weil diese Zustandsgrößen sinnvoll sind. Weil es z.B. damit möglich ist, Gesetzmäßigkeiten einfach beschreiben. Eine dieser Zustandsgrößen ist die Enthalpie (abgekürzt mit H) Die Enthalpie ist genauso eine Eigenschaft eines Systems wie die Masse oder das Volumen eines Systems. Wir können also sagen Dieses Volumen Luft besitzt eine gewisse Enthalpie. Die Enthalpie ist messbar und sie ist sinnvoll denn sie ist ein Maß für die Menge an Energie in diesem System. Sie ist eine extensive Zustandsgröße: wenn ich das System verdopple, verdopple ich auch die Enthalpie. Ich kann aus jeder extensiven Zustandsgröße eine intensive Zustandsgröße machen, indem ich durch die Masse oder die Stoffmenge dividiere. Dann erhalte ich die entsprechende spezifische oder molare Größe. H durch m z.B. ist die spezifische Enthalpie h; Joule pro Kilogramm ist die Einheit. Eine Größe, die in der Thermodynamik ebenfalls sehr wichtig ist, ist die Freie Enthalpie G. G ist ein Maß für die Instabilität eines Systems. Eine wichtige Thematik der Thermodynamik ist die Stabilität. Oft lautet die Frage: "Wie stabil ist ein System? Kann es durch einen chemischen oder physikalischen Prozess noch stabiler werden?" Ist eine Veränderung möglich oder sind wir schon im Gleichgewicht, dem Maximum an Stabilität?" Die Freie Enthalpie liefert die Antwort auf diese Fragen. Die Freie Enthalpie ist ebenfalls eine extensive Größe. Die zugehörige intensive Größe "partielle molare Enthalpie" hat sogar einen eigenen Namen: man nennt es "chemisches Potential µ". Doch dazu später mehr. Man braucht nun nicht alle diese Zustandsgrößen, um ein System zu beschreiben. Bei einfachen Systemen reichen in der Regel einige wenige Zustandsgrößen aus. Wie viele Größen man braucht, sagt uns die GIBBSsche Phasenregel. GIBBS war
einer der größten Thermodynamiker und hat Ende des 19. Jahrhunderts die nach ihm benannte Regel formuliert: Wenn ich ein System habe
mit C Komponenten und P Phasen, brauche ich genau F intensive Zustandsgrößen, um dieses System eindeutig zu beschreiben. Wenn ich beispielsweise in einem System nur eine Komponente habe und dieses System homogen gasförmig ist. - etwa eine Probe mit Helium. Dann haben wir C = 1, nämlich Helium; dann haben wir P = 1, nämlich gasförmig; und nach GIBBS ergibt sich die Zahl F dann als 2. Wir brauchen 2 intensive Zustandsgrößen, um dieses System eindeutig zu beschreiben. Zwei Eigenschaften, zum Beispiel das molare Volumen und die Temperatur F heißt auch Freiheitsgrad, weil wir genau diese Anzahl an Größen FREI wählen dürfen. Nicht mehr und auch nicht weniger. Wenn wir weniger Größen angeben, ist das System nicht eindeutig bestimmt Mehr Größen können wir auch nicht frei wählen, denn nach Wahl von F Größen sind alle anderen Eigenschaften - etwa
der Druck oder die Dichte - festgelegt und können von uns nicht mehr frei gewählt werden. In diesem Behälter befinden sich flüssiges Wasser und Wasserdampf im Gleichgewicht nebeneinander. Damit haben wir ein Einkomponentensystem mit zwei Phasen vorliegen. Nach GIBBS hat dieses System nur noch einen Freiheitsgrad. Ich darf mir jetzt nur noch eine Eigenschaft frei wünschen zum Beispiel die Temperatur. Alle anderen Zustandsgrößen sind damit festgelegt. Wenn ich den Zahlenwert für die Temperatur vorgebe, ist
die Dichte von der Flüssigphase festgelegt, die Dichte der Gasphase festgelegt, der Druck des Gases festgelegt, die Enthalpie festgelegt,
etc., etc. Ein Freiheitsgrad. Welche Eigenschaft ich mir wünsche, ist mir überlassen. Wenn ich mir die Temperatur wünsche, sind der Druck und alle anderen Größen festgelegt. Ich kann mir aber auch den Druck wünschen, dann ist aber die Temperatur festgelegt. Ich kann mir auch die spezifische Enthalpie wünschen,
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