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

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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
Vorlesung/Konferenz
Lawrencium
Gemenge
Boyle-Mariotte-Gesetz
Triisobutylaluminium
Biphenyl
Vorlesung/Konferenz
Mischkristall
Naphthalin
Toluol
Triisobutylaluminium
Kupfer
Fester Zustand
Mischbarkeit
Vorlesung/Konferenz
Mischungslücke
Mischkristall
Gemisch
Ausgangszustand
Kupfer
Fester Zustand
Zweikomponentensystem <Molekularbiologie>
Wasserfall
Vorlesung/Konferenz
Mischungslücke
Kupferbelastung
Mischkristall
Kupfer
Fester Zustand
Vorlesung/Konferenz
Mischkristall
Gemisch
Fester Zustand
Vorlesung/Konferenz
Gefüge <Gesteinskunde>
Fester Zustand
Vorlesung/Konferenz

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Schmelzdiagramme idealer Zweikomponentensysteme - Liquidus- und Soliduslinie schneiden sich nur bei den reinen Komponenten?
Serientitel Einführung in die Thermodynamik
Teil 39
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15682
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie
Schlagwörter Physikalische Chemie
Thermodynamik

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