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9. Phasengleichgewichte und Zustandsänderungen9.1 Einkompentige SystemeTemperaturabhängigkeit der freien Enthalpie
Da S > 0, nimmt G mit zunehmender Temperatur ab.
G
H
0
H
G
TS
Steigung = - S
Steigung = Cp
T (K)298 Relative Änderungen ∆H:
Referenz: H(298K) = 0
€
dG = d( H −TS ) = dH −T dS − SdT = CP dT −TCP
TdT − SdT = − SdT
€
dGdT
P
= − S
€
CP =dHdT
P
H = CP298
T
∫ dT
2
9.2 Phasenänderung
S(flüssig) > S(fest)
Gibbs-Helmholtz Gleichung ∆G: Differenz der freien Enthalpie zweier Phasen∆H: UmwandlungswärmeIst ∆G(T) bekannt ∆H(T)Ist ∆H bekannt ∆G(T)
G
H
0
H (flüssig)
T (K)298
∆H
H (fest)
Tm
G(fest)
G(flüssig)
fester Zustandstabil
flüssiger Zustandstabil
Beispiel:flüssig <--> fest
Extremfälle:
T ≈ 0K: G = U + PV - TS≈ U + PV≈ U ( nur potentielle Energie)
T sehr groß: G ≈ - TSDa TS >> U
€
d(ΔG / T )dT
= −ΔH
T 2
3
Clausius-Clapeyron Gleichung
Effekte durch Änderung des Druckes
Bei der Gleichgewichtstemperatur Te stehen zwei verschiedene Phasen miteinander imGleichgewicht. Die Gleichgewichtstemperatur Te hängt vom Druck ab.
Beispiel 1: Zustandsdiagramm von reinem Eisen
400
800
1200
1600
2000
0 25 50 75 100 125 150 175
Tem
pera
tur
(°C
)
Druck (kbar)
flüssig
α-Eisen
γ-Eisen
ε-Eisen
δ-Eisen Koexistenz: α-Eisen - γ-Eisen:
∆V = Vm(γ) - Vm(α) < 0(dP/dT) < 0
Koexistenz: flüssiges Eisen - γ-Eisen∆V = Vm(γ) - Vm(α) > 0(dP/dT) > 0
€
dPdTe
=ΔH
TeΔV
4
Beispiel 2: Verdampfungskurven, Annahme: Ideales Gas: V = RT/P
L: Verdampfungswärme
€
dPP
=L ⋅ dT
RT 2; P = Po ⋅ exp(−L / RT )
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Temperatur [°C]
10 -4
10 -3
10 -2
10 -1
1.0
Dam
pfdr
uck
[bar
]
Hg Na Zn Mg Pb Al Cu
Ni
Pt
Mo
Fe
Dampfdruckkurven verschiedener Metalle
5
9.3 Phasendiagramme einkomponentiger Systeme
Konstruktion von Phasendiagrammen: Man sucht die Druck- undTemperaturbereiche, in denen die verschiedenen Phasen eines Systems stabil sind.
Dazu wird benötigt: F(T,V) bzw. G(T,P)
Die jeweils niedrigste Kurve F(T,V) bzw. G(T,P) identifiziert die stabilen Bereicheder verschiedenen Phasen
RU
Rs Rl Rg
Ul
Us
Ug
ρs > ρl > ρg
Us < Ul < Ug
Ss < Sl < Sg
Die Dichte ρ ist im festen Zustandam größten und im gasförmigenZustand am kleinsten. Damit istder mittlere Atomabstand in denverschiedenen Phasen vorgegeben.Danach bestimmt sich die innereEnergie.
Die Entropie ist am kleinsten imgeordneten, festen Zustand undam größten im gasförmigenZustand.
T 0: F ≈ U
6
Am Tripelpunktkoexistierenalle drei Phasen
T klein:Us
< Ul< Ug
T groß:Sg > Sl > Ss
1
2
3
SchmelzkurveDampfdruckkurve(endet am kritischenPunkt)
Sublimationskurve
Stabilitätsbereich der Phasen
Ug
G P = PTRIP
T
flüssig
fest
gasförmig
G
Ul
Us
T
P
T
1 bar
PTRIP
Krit. Punktflüssigfest
gasförmig
1
2
3
7
9.4 Legierungen
Empirische Regeln zur Löslichkeit der Atomsorte Bin der Matrix aus A-Atomen von Hume-Rothery:
Atomgröße
Elektronegativität
Valenz
(rA - rB)/r < 15%ähnlich, gute Löslichkeit
Atome B niedriger Valenz gutlöslich in Matrix aus A-Atomenmit höherer Valenz
Legierungen bestehen aus mindestens zwei verschiedenen Elementen A und B
ideale Mischung:
geordnete Mischung:
Phasenmischung:
statistische Verteilung der Atome
Bildung von Überstrukturen
heterogene Verteilung der Atome
substitutionell interstitiell
8
9.5 Gleichgewicht in mehrkomponentigen Systemen
Chemisches Potential:
Einkomponentige Systeme:P,T konstant V,T konstantdGP,T = dU - TdS + PdV = 0 dFV,T = dU - TdS
Metalle: dV ≈ 0 ==> PdV << dU ==> dG ≈ dF
Mehrkomponentige Systeme: Teilchenzahl ni ist zuusätzliche Variable: G = G(P,T,ni)
Spezieller Fall: P,T = constGibbs-Duhem Gleichung
Zwei Phasen ϕ1 und ϕ2 sind imGleichgewicht, wenn
€
dGϕ =∂Gϕ
∂P
T ,ni
dP +∂Gϕ
∂T
P ,ni
dT +∂Gϕ
∂ni
P ,T
dniϕ
€
µi =∂Gϕ
∂niϕ
T ,P
€
dGϕ = µiϕ
i
∑ dnϕ
€
µiϕ1 = µi
ϕ 2
9
G = xAµA + xBµB
Binäres System Gibb'sche freie Enthalpie (normiert auf 1 mol)
xA: Konzentration der A-AtomexB: Konzentration der B-AtomexA + xB = 1
G
A BxB
YµA
µB
G = (1 - xA)µA + xBµB
= xB(µB - µA) + µA
€
dGdxB
= µB −µA
€
Y = G( xB ) − xB
∂G∂xB
= xB (µB −µA ) + µA − xB (µB −µA )
= µA
10
Gleichgewicht mehrerer Phasen:
Annahme: k unterschiedliche Phasen ϕ1,…ϕk im Gleichgewicht, P,T konstantGibb’sche freie Enthalpien der einzelnen Phasen: Gϕl(P,T,n1,…nj) für alle l=1…kGleichgewichtsbedingung: dGϕl = 0 für alle l=1…k
G
A Bxoxϕ1 xϕ2
Gϕ1
Go
ϕ
Gϕ2
µA
µB
€
dGϕ = µiϕ l
i=1
j
∑ dniϕ l = 0
€
µiϕ1 = µi
ϕ2 = ....... = µiϕ k für alle i =1... j
„Tangentenregel“
11
9.6 Binäre Lösungen
G.F.E.: xAGA
vor der Mischung nach der Mischung
Mischung
xA mol A xB mol B 1 mol Lösung
Gibb'sche Freie Energie vor der Mischung:
G
GA
GB
A B
Gl
G.F.E.: xBGB
G1 = xAGA + xBGB
Gibb'sche Freie Energie nach der Mischung:
G2 = G1 + ∆Gmix
Aufteilung in enthalpischen und entropischen Teil:
G1 = H1 - TS1; G2 = H2 - TS2
∆Gmix = ∆Hmix - T∆Smix
∆Hmix = H2 - H1 (Mischungsenthalpie)∆Smix = S2 - S1 (Mischungsentropie)
12
Spezifische Wärme der Legierung ist gewichtete spez. Wärme der Komponenten
Neumann-Koppsche Regel
H20K: Enthalpie der Mischung bei 0 K
H2C: Wärmeinhalt der Mischung
SC: Thermische Entropie der Mischung
Wärmeinhalt und thermische Entropie sind in G1 = xAGA + xBGB bereits berücksichtigt. Siemüssen daher nicht bei der Bestimmung von ∆Gmix eingeschlossen werden.
G2 = H20K + H2
C - TSC - T∆Smix
€
H2C = CP
0
T
∫ (T )dT ; SC =CP
T0
T
∫ dT
G2 = G1 + ∆Gmix
13
9.7 Die ideale LösungAnnahmen: 1. Mischungsenthalpie vernachlässigbar, ∆Hmix ≈ 0, nur entropischer Beitrag: ∆Gmix ≈ -T∆Smix2. A- und B-Atome bilden Substitutionsmischkristall3. Alle Anordnungen der Atome sind gleichwahrscheinlich
Statistische Definition der Entropie:
S = kB ln(W); W: Zahl der möglichen Zustände
Beiträge zur Entropie eines Festkörpers: S = Sth + Sconf,Sth: thermische Entropie, Sconf : Konfigurationsentropie (nur in Legierungen)
Vor der Mischung: Wconf = 1 Sconf = 0, Smix = S2conf = kB ln(Wconf)
Zahl der unterscheidbaren Möglichkeiten, A- und B-Atome anzuordnen:
€
W conf =( N A + N B )!
N A!N B!NA: Zahl der A-Atome, NB: Zahl der B-Atome
€
S2conf = kB ln W conf( ) = kB ln
(N A + N B )!N A!N B!
; ln(x!) = x ln(x) − x
14
Mischungsentropie
€
S2 = − R xA ln(xA ) + xB ln(xB )( )Freie Enthalpieänderung durch Mischen
€
ΔGmix = − RT xA ln(xA ) + xB ln(xB )( )
Gesamte Freie Enthalpie nach dem Mischen
€
G2 = xAGA + xBGB + RT ( xA ln(xA ) + xB ln(xB ))
* ∆Gmix steigt mit der Temperatur* Große Steigung von ∆Gmix bei xB 0 bzw. xA 0
15
9.8 Die reguläre Lösung
A-A
B-B
A-B
BA A A A
AAAA
A A A A
AAA
A A A A A
B B
BBBB
B B B B
BBBBB
B B B
BBBB AAA A
A
∆Hmix ≠ 0∆Hmix < 0: exotherme Reaktion beim Mischen∆Hmix > 0: endotherme Reaktion beim Mischen
Quasichemisches Modell: Nur Wechselwirkungen nächster Nachbarn
Bindungen:1. A-A Bindungen mit Energie EAA und Häufigkeit PAA
2. B-B Bindungen mit Energie EBB und Häufigkeit PBB
3. A-B Bindungen mit Energie EAB und Häufigkeit PAB
Innere Energie der Lösung:
U = Epot = PAAEAA + PBBEBB + PABEAB
Zahl der AA-Bindungen vor Mischung: PAA = PAA+(1/2)PABZahl der BB-Bindungen vor Mischung: PBB = PBB +(1/2)PABInnere Energie vor Mischung:
UV = (PAA + (1/2)PAB)EAA + (PBB + (1/2)PAB)Mischungsenthalpie:∆Hmix = U - UV
∆Hmix = PAB[EAB - (1/2)(EAA + EBB)]
∆Hmix = P·E mit E = EAB = EAB - (1/2) (EAA + EBB)
16
E = 0: Statistische Verteilung der Atome: ∆Hmix = 0 (ideale Lösung)
PABideal = NL xA Z xB = NL Z xA (1 - xA), Z: Koordinationszahl
E < 0: Paare unterschiedlicher Atome energetisch günstiger
PAB > PABideal
E > 0: Paare gleichartiger Atome energetisch günstiger
PAB < PABideal
Reguläre Lösung: E nicht wesentlich von Null verschieden
∆Hmix = Ω xA xB mit Ω = NL Z E
∆Gmix = W xA xB + RT [xA ln(xA) + xB ln(xB)]
17
-T∆Smix
∆Hmix
∆Gmix0+
-
A BΩ > 0, hohes T
(c)
xB +
-
A B
(d)
Ω > 0, niedriges T
0x1
x2 x3
x4xB
∆Hmix
-T∆Smix
∆Gmix
Ω < 0, hohes T
(a)
0+
-
A B
xB
∆Hmix
-T∆Smix
∆Gmix
0+
-
A B Ω < 0, niedriges T
(b)
xB
∆Hmix
-T∆Smix
∆GmixΩ < 0: ∆Hmix < 0; d2G/dxB
2 > 0
Ω < 0: ∆Hmix > 0:T >> 0: d2G/dxB
2 > 0T 0 : d2G/dxB
2 < 0 für x3<xB<x4
Entmischung bei Konzentrationen x1 < xB < x2
Bildung von AA und BBstatt AB-Bindungen
18
9.9 Phasentrennung und Hebelgesetz
T = konst.
µA
µB
G
A Bxα xβ
d2Gdx2 = 0
Go
x
Phasenanteile (Hebelgesetz)Teilchenzahlerhaltung:
Mα xα + Mβ xβ = x’Mα(1-xα) + Mβ(1-xβ) = (1-x’)
Mβ: Phasenanteil βΜα: Phasenanteil α
100
0 xα x' xβ
αβ
Phas
enan
teil
in %
Chemisches Gleichgewicht:µA
α = µAβ und µB
α = µBβ
Doppeltangentenregel
Mα =xβ - x‘
xβ - xαx‘ - xα
xβ - xαMβ =
19
9.10 Löslichkeitsgrenzen
verdünnte Lösungen: xA << 1
d2G
dx2= 0
Spinodale
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tr
0.0A B
dGdx = 0
Phasenmischung
Homogene Lösung
x
Löslichkeitskurve:
Gleichgewicht: dG/ dx = 0 NL Z E (1 - 2xA) + RT [ln(xA) + ln(1 - xA)] = 0
€
kBTZ ⋅ E
+1− 2xA
ln(x A) + ln(1− xA )= 0
€
xA = expZ ⋅ EkB T
In verdünnten Lösungen exponentiellerAnstieg der Löslichkeit mit derTemperatur
xA > 0 für T > 0 K zwei Komponentensind nie vollständig unlöslich!
20
Grenzfälle:Tr 0: keine LöslichkeitTr ≥ 0.5: vollständige Löslichkeit
Ω = NL·Z·ExB = 1 - xA
T-Abhängigkeit der Löslichkeit
Gibbsche Freie Energie für reguläre Lösung:
Vernachlässigung von xAGA + xBGB
G ≈ NL Z E xAxB + RT[xA ln(xA) + xB ln(xB)] Einführung einerreduzierten Temperatur Tr
:Tr
= kB TZ·E
Tr = 0.2
A B
G
x
x1 x2
x3 x4
G = xAGA + xBGB + Ω xAxB + RT[xA ln(xA) + xB ln(xB)]
Tr = 0.3
Tr = 0.5
Tr = 0
Tr = 0.4
21
9.11 Spinodale
Lösung ist metastabil:Konzentrationsfluktuationen führen zur Erhöhungvon G und werden wieder abgebaut Zur Entmischung ist Keimbildung notwendig
Lösung ist instabil:Konzentrationsfluktuationen führen zurAbsenkung von G und werden sich verstärken Spinodale Entmischung
d2G< 0
dx2
Wendepunkte der G(xA) Kurve:
Innerhalb der Spinodalen:
T
x
T2
T1
x
Zwischen Löslichkeitsgrenze und Spinodale:
€
d 2G
dx2= 0; xA (1− xA ) =
kBT2Z ⋅ E
d2G> 0
dx2
22
9.12 Reale Lösungen
Hohe Temperaturen:Entropieterm dominiert gegenüber Enthalpieterm Ungeordneter Zustand
Niedrige Temperaturen:Enthalpieterm dominiert gegenüber dem Entropieterm Geordneter Zustand
Abnahme des Ordnungsgrades mit steigender Temperatur!Ungeordnete Phase bei hohen Temperaturen stabil!
E < 0A-B Bindungen energetisch günstigTendenz zur Bildung eines geordneten Mischkristalls (Überstruktur)
E > 0
G = G1 + ∆Hmix - T∆Smix
A-B Bindungen energetisch ungünstigTendenz zur Entmischung
23
9.13 Geordnete Phasen
S = 0 S = 1
Ordnungsparameter nimmt mit steigender Temperatur ab!
Definition eines Ordnungsparameters
PAB(ungeordnet): Zahl der A-B Bindungen in ungeordneter PhasePAB(max): Zahl der maximal möglichen A-B Bindungen
Beispiele geordneter Gitter:
Cu ZnCuZn Cu3Au
Cu AuCuAu
Cu Au
€
S =PAB − PAB (ungeordnet )
PAB (max)− PAB (ungeordnet )