Fase (materie)

En fase er et romlig område der materialegenskapene, som tetthet , brytningsindeks eller kjemisk sammensetning, er homogene . Begrepet brukes i fysisk kjemi , termodynamikk , materialvitenskap og væskemekanikk .

IUPAC definerer en fase som enheten i et materialsystem som er ensartet når det gjelder kjemisk sammensetning og fysisk tilstand. ^[1] En fase når det gjelder termodynamikk er enhver homogen del av et termodynamisk system . ^[2] Begrepet ble laget av JW Gibbs . ^[3]

Som regel beskriver begrepet alle romlige deler av et system med samme materialegenskaper, selv om disse delene ikke er relatert. Et rent stoff kan sameksistere i forskjellige faser, f.eks. B. forskjellige fysiske tilstander (fast, flytende og gassformig). Et glass vann (flytende fase) kan også inneholde isbiter (fast fase) samtidig. Aggregeringstilstanden er imidlertid ikke det eneste differensieringskriteriet for faser, fordi mange stoffer også kan forekomme side om side i forskjellige modifikasjoner (elementer) eller krystallstrukturer (elementer og forbindelser). Fasene i overflod representerer en spesiell funksjon, hvor den superflytende fase og den vanlige fasen kan trenge inn i hverandre på grunn av kvante-effekter , slik at blandingen kommer for det blotte øye som en enkelt fase.

homogenitet

Homogeniteten til fasen kan illustreres ytterligere ved hjelp av iseksemplet i et vannglass. Vannet i glasset fremstår som en homogen struktur. Isterningen er preget av en annen brytningsindeks (du kan se kantene under vann) og en annen tetthet (isterningen flyter på toppen). I seg selv er det imidlertid homogent igjen. Akkurat som glasset, som i seg selv danner en homogen fase.

Bruk av begrepet

Begrepet fase brukes først og fremst for å skille to eller flere domener med homogen sammensetning og egenskaper fra hverandre. Dette skyldes det faktum at i termodynamikk vanligvis fakta er av interesse som er relatert til utveksling av energi eller materie. Et stoff kan endres fra et fast stoff til en flytende fase når det smelter ( faseovergang ). På samme måte, når salt er oppløst, kan for eksempel materie passere fra den faste saltfasen til den flytende, vandige fasen.

Et spesielt tilfelle av bruken av begrepet oppstår med betegnelsen på forskjellige aggregattilstander og modifikasjoner av et enkeltstoffsystem, der fasen stort sett brukes synonymt med disse to begrepene.

Faseres stabilitet

Hvis forskjellige faser samhandler med hverandre, er de bare stabile under visse forhold. Disse forholdene (vanligvis trykk, temperatur og sammensetning) kan plottes i et fasediagram . Her kan du raskt se hvor mange og hvilke faser som er stabile under visse forhold.

Dette er spesielt tydelig når det gjelder enkeltsubstanssystemer, siden fasene her bare kan variere når det gjelder deres fysiske tilstand eller modifikasjon. Hvis du er på et av områdene i disse diagrammene, er det bare en fase, hvis du er på en linje, er det to faser (f.eks. Flytende og fast vann). Når det gjelder noder, kan tre (når det gjelder vann, trippelpunktet ) eller flere faser følgelig også eksistere.

I flerkomponentsystemer er diagrammene tilsvarende mer kompliserte, siden en z. B. må allerede ta hensyn til tre variabler i tokomponentsystemet. Her kan det oppstå rene faser (en fase med én substans i tillegg til andre faser) eller blandede faser. Jo flere komponenter det er, desto flere varianter er det for dannelse av faser. Generelt kan maksimalt antall sameksisterende faser beregnes ved hjelp av Gibbs faseregel .

Hvis to eller flere faser sameksisterer, er det faseseparasjon og dannes fasegrenser der egenskapene og dermed rekkefølgen parameteren endres brått. Fasegrensesnittene mellom forskjellige faser er et spennende forskningsområde, ettersom for eksempel kjemiske reaksjoner kan finne sted her, eller stoffets egenskaper endres i forhold til fasens indre. Se også grensesnittspenning .

I tillegg til de stabile fasene kan det også eksistere metastabile faser. Dette er faser som ikke er termodynamisk stabile, men fortsatt kan eksistere i lengre perioder. Eksempler er diamant under normale forhold eller glass.

Vanskeligheten med homogenitetsbegrepet

Homogenitet er et vanskelig begrep å forstå her: Avhengig av hvor nøye du ser på stoffet, kan det se ut som enfase eller flerfase:

• Melk er en emulsjon av små fettdråper i vann . Det representerer derfor et tofasesystem med vann- og fettfase På grunn av fettdråpens lille størrelse fremstår de for det blotte øye som en homogen væske.
• En haug med saltkorn består av et stort antall individuelle faste saltkorn, som alle er omgitt av en gassfase (luft). Saltkornene, som alle har de samme materialegenskapene, representerer i sin helhet et sekund, nemlig fast fase.
• Et annet eksempel er vannholdig damp . Denne blandingen er også kjent som tåke , teknisk også kjent som våt damp . I likhet med melk har den en homogen effekt, men består av to faser, den gassformige vanndampen og kondensatdråpene.
• Miceller er ekstremt små, de består bare av noen få molekyler , men de kan fortsatt sees på som en kondensert fase, mens en løsning av miceller gjør et homogent inntrykk på øyet.
• Ved første øyekast virker mange steiner som en enfase. Imidlertid består mange bergarter av forskjellige mineraler - dette kan sees ved nærmere inspeksjon. Hvert mineral danner sin egen faste fase.

I tillegg kan inhomogeniteter også forekomme til en viss grad i systemer som per definisjon er homogene. For eksempel er minimale forskjeller i konsentrasjon og trykk i gasser på grunn av tyngdekraften ( konsentrasjonsgradient , gravitasjonstrykk ) mulig, eller sammensetningen av krystaller er litt forskjellig på overflatene . I slike tilfeller snakker man ikke om to faser.

Se også

• Heterogent system
• Mineralaggregat
• Blandbarhet

Individuelle bevis

1. ↑ Oppføring på fase . I: IUPAC Compendium of Chemical Terminology ("Gullboken") . doi : 10.1351 / goldbook.P04528 .
2. ↑ DIN 1345: 1993 Termodynamikk - grunnleggende vilkår .
3. ^ Josiah Willard Gibbs: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances , Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences , bind 3, 1874-1878, s. 108-248 og 343-524 .