Phasen

Was ist eine Phase ?

Eine Phase ist ein homogener Teil der Materie, der durch eine Grenzfläche von einem anderen homogenen Teil (d.h. einer anderen Phase) getrennt ist. Die Grenzfläche heißt auch Phasengrenze. An der Phasengrenze ändern sich physikalische Eigenschaften diskontinuierlich (d. h. sprunghaft).

Beispiele für Phasen

Die Definition im vorigen Absatz ist schnell hingeschrieben. Aber wo finden wir in unserem Alltag und bei den Dingen, die wir benutzen, Phasen ?

Phasen bei Gemischen aus mehreren Stoffen

Sobald sich 2 Stoffe berühren, die sich nicht mischen, bilden sich Phasen aus. Hier sind Beispiele :

gefärbtes Wasser und Öl
bilden 2 Phasen.

Auf dem ersten Bild sind 2 flüssige Phasen zu sehen. Im unteren Teil des Becherglases ist verdünnte Natriumhydroxid–Lösung (Natronlauge), die mit Phenolphthalein gefärbt wurde. Dies ist eine homogene Mischung, die vom Glas und der oberen Flüssigkeit durch eine Grenzschicht getrennt ist, also eine Phase. Darüber ist Paraffinöl. Es ist mit Wasser (und Natronlauge) nicht mischbar, sondern bildet zum Wasser hin eine Grenzschicht aus. Das Öl ist also die zweite Phase. Die Pinkfärbung oben auf dem Öl wird nur durch reflektiertes Licht hervorgerufen, nicht etwa durch eine dritte Schicht. Außerdem ist noch eine feste Phase (das Glas) und eine gasförmige Phase (die Luft) auf dem Bild. Beide sind homogen und bilden gegenüber den anderen Phasen Grenzschichten aus.

Der Stein auf dem zweiten Bild besteht aus vielen Hundert Phasen. Er ist aus unzähligen winzigen Kristallen aufgebaut. Die meisten sind deutlich kleiner als 1 mm, aber alle haben eine homogene Zusammensetzung und eine klare Grenze zu den Nachbarkristallen, sind also Phasen.

Zum Vergrößern klicken Sie das Bild links an. Sie sehen dann die Phasen viel deutlicher.

Butter ist eine Emulsion.

Das Butterstück auf dem dritten Bild besteht aus noch mehr Phasen. Butter ist eine Emulsion aus Fett und Wasser. Jedes der mikroskopisch kleinen Wassertröpfchen im Fett bildet eine eigene Phase, denn es ist homogen und gegenüber dem Fett abgegrenzt. Obwohl Millionen von Phasen vorliegen, sind doch nur 2 verschiedene Phasen vorhanden, nämlich Fett und Wasser.

Im Becherglas auf dem viertem Bild ist nur eine einzige flüssige Phase. Sie ist entstanden, indem eine pinkfarbene Flüssigkeit (nämlich mit Phenolphthalein gefärbte verdünnte Natriumhydroxid–Lösung) in Wasser getropft wurde. Es ist aber noch keine vollständige Durchmischung eingetreten, sondern es haben sich Schlieren gebildet. Die Flüssigkeit ist zwar nicht homogen, denn man kann mit bloßem Auge einzelne Bestandteile erkennen. Trotzdem bezeichnet man dieses Gemisch als eine einzige Phase – einfach deshalb, weil sich die Eigenschaften kontinuierlich, nicht sprunghaft ändern, und weil es nach kurzem Umrühren (oder längerem Warten) homogen wird.
Bemerkung : Der Begriff der Phase ist also nicht absolut exakt, jedoch für praktische Zwecke ausreichend genau definiert.

In einigen der Beispiele wurden Stoffgemische betrachtet, bei denen die Bestandteile fein ineinander verteilt waren. Auch Emulsionen, Suspensionen, Kolloide, Gesteine, Rauch sind solche Gemische. Hier treten viele Phasen, aber nur sehr wenige verschiedene Phasen auf.

Phasen bei reinen Stoffen

Bei reinen Stoffen sind die Verhältnisse viel übersichtlicher, aber noch komplex genug, um interessant zu sein, und es stehen andere Aspekte der Definition der Phase im Vordergrund.

Die erste Frage ist : Wie kann denn ein einzelner Stoff mehrere Phasen bilden ? Bei der Antwort kommen wir zu den Aggregatzuständen, die ja das eigentliche Thema dieses Kapitels sind.

feste und flüssige
Phase des Wassers

Beispiel Wasser : Das Bild zeigt Eiswürfel in Wasser. Zwischen den Eiswürfeln und dem Wasser ist eine klar definierte Grenze, die Eigenschaften (etwa Dichte und Lichtbrechung) ändern sich an dieser Grenze sprunghaft, und sowohl Eis als auch Wasser sind homogen. Es sind also 2 Phasen vorhanden, nämlich eine feste und eine flüssige.

Man sagt, Eis ist die feste Phase des Wassers, und Wasser seine flüssige Phase. Jeder kennt auch die gasförmige Phase des Wassers, den Wasserdampf. Auch wenn in einem Gefäß nur flüssiges Wasser ist (kein festes oder gasförmiges), kann man es „flüssige Phase” nennen.

Nicht nur Wasser, sondern auch andere Stoffe können eine feste, eine flüssige und eine gasförmige Phase bilden.

Beispiel Kohlenstoff : Die beiden Bilder zeigen einen Graphitkristall und einen Diamant. Beide haben unterschiedliche Eigenschaften, sind aber fester Kohlenstoff. Legt man sie nebeneinander, bilden sie 2 Phasen (homogener Aufbau, Grenzfläche mit diskontinuierlicher Eigenschaftsänderung). Auch wenn man sie nicht nebeneinander legt, sind es 2 Phasen des Kohlenstoffs. Kohlenstoff hat also 2 feste Phasen.

Phasen und Modifikationen

Diamant und Graphit sind Modifikationen des Kohlenstoffs. Jetzt heißen sie plötzlich Phasen. Wo ist der Unterschied zwischen den beiden Begriffen ?

Modifikationen eines Stoffes sind immer dann auch Phasen dieses Stoffes, wenn sie zwar die gleiche stoffliche Zusammensetzung haben, aber Kristalle mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung der kleinsten Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) bilden.

So zählt man zum Beispiel auch die Fullerene zu den Modifikationen des Kohlenstoffs. Sie bilden Moleküle mit den Formeln C60, C70 und andere. Damit haben sie eine andere Zusammensetzung als Diamant oder Graphit (die endlos ausgedehnte Kristalle mit der schlichten Formel C sind), sind also keine Phasen des Kohlenstoffs.

Vom Wasser kennt man 11 (feste) Modifikationen, von denen die meisten jedoch nur bei sehr hohen Drücken auftreten. Alle haben die Formel H2O, aber unterschiedliche Kristallstruktur. Wasser hat also 11 feste Phasen, außerdem natürlich noch die flüssige und die gasförmige.

Zusammenfassung Phasen

Jeder Stoff tritt in (mindestens) einer festen Phase auf.
Jeder Stoff bildet, wenn er sich nicht vorher zersetzt, genau eine flüssige und genau eine gasförmige Phase.
Viele Stoffe können mehrere feste Phasen bilden. Diese haben unterschiedliche Eigenschaften, aber die gleiche stoffliche Zusammensetzung.

Die verschiedenen Phasen eines Stoffes müssen nicht gemeinsam auftreten. Sie können das auch gar nicht immer, sondern nur unter bestimmten Bedingungen.