Schmelzdiagramme idealer Zweikomponentensysteme - Liquidus- und Soliduslinie schneiden sich nur bei den reinen Komponenten?

Wir haben Siedediagramme von idealen und nicht-idealen Mischungen besprochen. Schmelzdiagramme sehen im Prinzip ganz genau so aus. Der Unterschied ist: Wir betrachten nicht den Übergang flüssig/gasförmig sondern

den Phasenübergang fest/flüssig. Wenn wir den Übergang einer idealen Zweikomponenten-Mischung zwischen einer Phase alpha und einer Phase beta betrachten, sieht das entsprechende Zustandsdiagramm so aus. Phase alpha befindet sich "unten", Phase beta befindet sich "oben", wir haben einen Zweiphasenbereich mit spindelförmiger Struktur. Die beiden Binodalen (oder Binoden) haben weder Maximum noch Minimum. So sieht zum Beispiel das kamen Siedediagramm des idealen Systems IPA/IBA (Isopropylalkohol/Isobutylalkohol)

aus. So sieht aber auch das Schmelzdiagramm des idealen Systems Cu/Ni (Kupfer/Nickel) aus. Wenn sich die Komponenten A und B nur in der Phase beta homogen mischen, in der Phase alpha aber getrennt vorliegen (heterogenes Gemenge) vorliegen erhalten wir ein Diagramm mit ganz anderem Aussehen: ein Zustandsdiagramm mit einer V-förmigen Binodale. Ein solches Diagramm erhalten wir als Siedediagramm zweier nicht-mischbarer Flüssigkeiten (Wasser und

Toluol z.B.) oder als Schmelzdiagramm zwischen zwei Feststoffen, die keine Mischkristalle bilden. (z.B. Naphthalin und Biphenyl) Wenn wir Abweichungen vom Idealverhalten haben, erhalten wir Maxima oder Minima in den Binodalen: Maxima treten z.B. auf beim Siedediagramm des Systems Wasser/ Wasser/Ameisensäure

oder dem Schmelzdiagramm des Systems Blei/Thallium Minimum-Azeotrope erhalten wir z.B. beim Siedediagramm des Systems Nitrobenzol/Cyclohexan

oder beim Schmelzdiagramm des Systems Nickel/Gold. Zwischen den beiden Grenzfällen

der idealen Mischbarkeit und der völligen Nicht-Mischbarkeit gibt es noch weitere Zwischenstufen, wie etwa bei diesem Diagramm: Kupfer und Gold haben in der festen Phase eine breite Mischungslücke; in der flüssigen Phase hingegen sind sie vollkommen mischbar. Wenn sich zwei Komponenten A und B im festen Zustand mischen sollen, dann müssen sie sogenannte Mischkristalle bilden. Dann müssen die Teilchen der Komponente A sich in das Kristallgitter der Komponente B ohne Probleme einfügen

lassen. Dies kann in Form eines Substitutions-Mischkristalls oder in Form eines Einlagerungs-Mischkristalls realisiert werden. Diese beiden Fälle sind jedoch die Ausnahme, in der Regel passen die beiden Komponenten nicht (oder nur wenig) gegenseitig in ihre Kristallgitter und deshalb ist es häufiger, dass sich zwei Komponenten im festen

Zustand nicht mischen. Wir betrachten das ideale Zweikomponentensystem Nickel/Kupfer. Nickel und Kupfer bilden sowohl in der flüssigen Phase eine homogene Mischung als auch in der festen Phase Mischkristalle. Es gibt keinerlei Mischungslücke. Im Diagramm erkennen wir zwei Binodalen; diese nennt man Soliduslinie und Liquiduslinie. Wir kühlen eine Schmelze (Ausgangszustand (1)) mit 60 % Kupfergehalt langsam ab. Beim Zustand (2) schneiden wir die Linie Liquiduslinie - eine feste Phase (Mischkristalle) mit der Zusammensetzung 48 % Kupfer kristallisiert Wir kühlen weiter ab. Im Zustand (3) haben wir eine flüssige Phase (Schmelze), die an

Kupfer angereichert ist und ein feste Phase (Mischkristalle), die an Kupfer abgereichert ist im Vergleich zu den ursprünglichen 60 %. Im Zustand (4), nach weiterem Abkühlen, haben wir einen Feststoff (Mischkristall), der 60 % Kupfer enthält. Und noch ein wenig Flüssigphase (Schmelze), die ca. 82 % Kupfer enthält. Die eben genannten Werte erreichen

wir nur dann, wenn wir extrem langsam abkühlen; wenn wir den Phasen immer

Gelegenheit geben, ins Gleichgewicht zu kommen. Gleichgewichtseinstellung

kann insbesondere in festen Phasen lange dauern. Wenn wir die Mischung schnell

abkühlen – ihr also keine Zeit geben, ins Gleichgewicht zu kommen, erhalten wir mehrere Schichten mit Feststoffen

unterschiedlicher Zusammensetzung. Ein derartiges "zwiebelartiges" Gefüge weist auf eine schnelle Nicht-Gleichgewichts-Erstarrung hin. Das System Kupfer/Gold ist ebenfalls in flüssiger

und fester Phase mischbar, zeigt aber Abweichungen vom Idealverhalten. Wir