Phasendiagramme mit Mischungslücke - heterogenes Gemenge oder homogene Mischung?

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Formal Metadata

Title
Phasendiagramme mit Mischungslücke - heterogenes Gemenge oder homogene Mischung?
Title of Series
Part Number
38
Author
Lauth, Jakob Günter (SciFox)
Contributors
Lauth, Anika (Medientechnik)
License
CC Attribution - NonCommercial 3.0 Germany:
You are free to use, adapt and copy, distribute and transmit the work or content in adapted or unchanged form for any legal and non-commercial purpose as long as the work is attributed to the author in the manner specified by the author or licensor.
DOI
Publisher
SciFox
Release Date
2013
Language
German
Production Year
2013
Production Place
Jülich

Content Metadata

Subject Area
Keywords
Physikalische Chemie
Thermodynamik
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Physical chemistry Mixture Mixture
Physical chemistry Mixture Mixture Gemenge
Mischungslücke Ore Lecture/Conference Mixture Human body temperature Gemenge Hexane Nitrobenzol
Lecture/Conference Gibbs free energy Differential calculus Hexane Zweikomponentensystem <Molekularbiologie> Nitrobenzol
Mischungslücke Lecture/Conference Mixture Hexane
Lecture/Conference Mixture
Lecture/Conference Mixture Gemenge Triethylamin
Mischungslücke Boiling Miscibility Zweikomponentensystem <Molekularbiologie>
Mixture Gas
Mischungslücke Lecture/Conference Mixture Boiling Gemenge Miscibility Zweikomponentensystem <Molekularbiologie>
Mischungslücke Ore Steam distillation Mixture Gas Gemenge Benzene
Gemenge Mixture Reinwasser Benzene Benzene
Es gibt Komponenten A und B, die sich "sympathisch" sind, dann haben wir keine Probleme mit dem Mischen. Es gibt Komponenten A und
B, die sich "unsympathisch" sind, dann haben wir evt. ein Azeotrop im Siedediagramm und es gibt
Komponenten, die sich so "unsympathisch" sind, dass sie keine Mischung
bilden, sondern ein heterogenes Gemenge. Wir wollen uns jetzt mit solchen Zweikomponentensystemen mit Mischungslücken Etwas näher beschäftigen. Wenn wir bei 10 Grad Celsius 1 mol Hexan und 1 mol Nitrobenzol zusammengeben, erhalten wir ein heterogenes Gemenge - wir erhalten zwei Phasen. Offensichtlich sind sich diese beiden Komponenten
so "unsympathisch", dass sie sich nicht homogen mischen. Bei höherer Temperatur (30 °C) ergibt dasselbe Experiment eine homogene Mischung. Wenn wir derartige Experimente wiederholen bei verschiedenen Temperaturen mit verschiedenen Mengenverhältnissen und grafisch auftragen, erhalten wir das Zustandsdiagramm zweier begrenzt mischbarer Flüssigkeiten. (Bsp.: Nitrobenzol und Hexan) Als Abszisse wird die Zusammensetzung aufgetragen. links reines Nitrobenzol, rechts reines Hexan. Als Ordinate wird die Temperatur aufgetragen. Wir erkennen eine Binodale (oder Binode), welche homogene von heterogenen Bereichen abgrenzt. In unserem Beispiel ist die Zone oberhalb der Binodale homogen flüssig, unterhalb der Binodale heterogen zweiphasig flüssig. Wenn wir am Zustand (1) starten – entsprechend 30 Grad Celsius und Eins-zu-eins-Mischung - liegt zunächst eine homogene flüssige Mischung. Wenn wir die Mischung abkühlen, wird sich ab einer Temperatur von 20°C (293 K) die homogene Mischung in ein heterogenes Gemenge aufspalten. Bei einer Temperatur von 10°C (283 K) ist diese Mischung aufgespalten in eine Nitrobenzol-reiche flüssige Phase und in eine Hexan-reiche flüssige Phase. Mit dem
Hebelgesetz können wir die Zusammensetzung quantitativ erfassen. Hexan und Nitrobenzol bilden ein Zweikomponentensystem mit oberer kritischer
Entmischungstemperatur. Wir können uns dieses Zustandsdiagramm aus den Flory-Huggins-Kurven (G=f(x)) ableiten. Die Flory-Huggins-Kurven beschreiben die freie Enthalpie
einer Mischung. Wenn diese Kurven eine konkave Krümmung aufweisen, dann ist die Mischung hier homogen instabil - es kommt zu einer Mischungslücke. Wenn wir von reinem
Nitrobenzol starten und jetzt tropfenweise in kleinen Mengen Hexan hinzugeben
(bei einer konstanten Temperatur) bewegen wir uns auf einer horizontales Linie von links nach rechts. Bei geringem Hexan-Anteil
ist die Mischung noch homogen. Ab diesem Punkt schneiden wir die Binodale,
(es wird heterogen) , wir durchqueren die heterogene Zone auf der Konode und erreichen hier wieder die Binodale und gelangen wieder zu einer homogenen Mischung auf der Hexan-reichen Seite.
Wenn wir bei 10°C zu 1 mol Triethylamin 1 mol Wasser hinzu geben, (1:1 Mischung) ist die Mischung homogen. Wenn wir das gleiche Experiment bei 30°C durchführen, erhalten wir ein heterogenes Gemenge. Die Verhältnisse sind also gerade umgekehrt wie beim Beispiel Hexan/Nitrobenzol. Wir haben
eine Mischungslücke bei hoher Temperatur. Auch dieses Verhalten kann man mit einem Phasendiagramm quantifizieren. Wir erhalten dann eine konvex gekrümmte Binodale.
Wenn wir ein Zweikomponentensystem mit Mischungslücke (Typ Hexan/Nitrobenzol) weiter erwärmen, wird es irgendwann beginnen zu sieden. Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder das System erreicht die Mischbarkeit vor dem Sieden - so wie hier - oder es erreicht die Mischbarkeit nicht. Wir können hier das Sieden eines
Zustands (1) diskutieren. Wir erwärmen die homogene Mischung, der Siedebeginn liegt hier, die Gasphase, die entsteht, hat ungefähr die Zusammensetzung 0,5 0,5. Wenn wir die Gasphase
kondensieren, erhalten wir zunächst eine homogene Flüssigkeit in unserer Vorlage. Bei weiterem
Abkühlen wird sich dann diese Mischung in ein heterogenes Gemenge aufspalten.
Dieses Zweikomponentensystem besitzt eine sehr breite Mischungslücke, es ergibt sich keine Mischbarkeit vor dem Sieden. Oftmals sind die homogenen flüssigen Bereiche schmal; manchmal kann man sie kaum erkennen, weil sie im Grunde mit den Ordinatenachsen übereinstimmen. Wasser
und Benzol haben eine sehr breite Mischungslücke. Im Siedediagramm des Systems Wasser/Benzol erkennt man die typische V-förmige Struktur der Taulinie.
Das Minimum der Taulinie ist ein sog. Hetero-Azeotrop. (bei 70 % Benzol). Aus diesem Diagramm können wir ablesen, dass jedes Gemenge aus Wasser und Benzol (zwischen 10 % und 90 %) ein 69 Grad siedet und eine Gasphase liefert, die 70 % an Benzol enthält. Egal ob wir viel oder wenig Benzol im Ausgangs-Gemenge haben. Die Zusammensetzung der Gasphase und die Siedetemperatur ist bei einem Hetero-Azeotrop konstant. Eine Mischung bzw. ein Gemenge siedet, wenn der Dampfdruck über der Mischung genauso groß ist wie der Außendruck. Bei unserem Gemenge Benzol/Wasser
ist p*(A) immer der Dampfdruck des reinen Wassers und p*(B) immer der Dampfdruck des reinen Benzols. Bei der Temperatur von 69,2 °C hat reines Benzol den Dampfdruck 0,7 bar und reines Wasser den Dampfdruck 0,3 bar. Über dem Gemenge haben wir den
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