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Phasendiagramm

Ein Phasendiagramm ( oder Zustandsdiagramm) ist eine graphische Darstellung der Stabilität in einem System als Funktion einer oder mehrerer Zustandsvariablen. In Phasendiagrammen werden die Bereiche der Stabilität einzelner Phasen dargestellt und als Stabilitätsfelder abgegrenzt. Die bestimmten Bereichsgrenzen werden als Stabilitätsfeldgrenzen bezeichnet.

Stabilitätsfeldgrenzen zwischen festen und flüssigen Zuständen werden als Schmelzkurven, zwischen flüssig und gasförmig als Sublimationskurven und zwischen fest und fest als Umwandlungskurven bezeichnet.

Entsprechend der gewählten Zustandsvariablen werden P-X, T-X, P-T-Diagramme unterschieden ( P=Druck, T= Temperatur, X=Chemismus).

s.a. > Eutektikum , Phasenumwandlung , Mineraltransformation, Fluide Phase

Im Folgenden sind einige Beispiele von binären Phasendiagrammen (Zweistoffsysteme) aufgeführt. Sie stellen Prototypen da. Die realen Phasendiagramme lassen sich meist aus diesen einfachen Phasendiagrammen "zusammen bauen". Es gilt aber immer: Wird die Temperatur abgesenkt, ist dies eine senkrechte Linie. Trifft diese senkrechte Linie auf eine andere Linie (Liquiduslinie) geht man waagerecht, bis die entsprechende feste Phase an der Soliduslinie getroffen wird. Falls die senkrechte Linie nicht genau eine Verbindung trifft, rutscht man auf der Liquiduslinie entgegengesetzt zum Festkörper zu tieferen Temperaturen.

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Dieses Bild zeigt ein peritektisches, binäres System. Die x-Achse ist der Anteil der Komponente B von 0% bis 100%, links ist die Komponente A. Die Schmelzpunkte der reinen Randkomponenten sind Ta und TB. Wird eine Schmelze beliebiger Mischung (ausser exakt 0% einer Komponente) abgekühlt, erstarrt daraus immer erst die Komponente B. Graphisch ist das durch den Pfeil angedeutet. Es wird eine Mischung mit 80% B und 20% A abgekühlt. Unterhalb des Schmelzpunktes von B, wenn die Liquiduslinie getroffen wird, kristallistiert B aus (waagerechte, gestrichelte Linie). In der Schmelze reichert sich A an, die Zusammensetzung ändert sich in Richtung A und die Erstarrungstemperatur sinkt. Am Ende kristallisiert bei der Schmelztemperatur von A die komplette Restschmelze aus. Es bestehen keine Löslichkeiten und keine Mischungen im festen Zustand. Ein Beispiel ist Pb-Fe.

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Hier wird ein eutektisches, binäres System dargestellt. Die beiden Liquiduslinien verlaufen, von den Randkomponenten ausgehend, in ein Minium, das unterhalb der tiefsten Schmelztemperatur liegt. Abhängig von der Lage der Ausgangsschmelze kristallisiert zuerst Komponente A (schwarze Pfeile) oder Komponente B (rote Pfeile) aus. Das Eutektikum ist keine eigene Verbindung. Es ist meist ein feinkörniges Gemenge beider Komponenten. Das Lehrbuchbeispiel ist das System Pb-Sn.

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Mischkristallbildung findet nur zwischen Verbindungen mit gleicher Kristallstruktur und ähnlichen Ionen statt. Hier gibt es Liquidus- und Soliduslinien. Beim Abkühlen einer Mischung mit etwa 80% B kristallisiert hier nahezu reines B aus. Zu der Kristallisationstemperatur (Auftreffen der roten senkrechten Linie auf die obere Liquiduslinie) steht eine Phase mit mehr als 95% B im Gleichgewicht (Gleiche Temperatur = Waagerechte Linie bis zur Soliduslinie). Die Schmelze reichert sich mit der niedrig schmelzenden Komponente A an, die Schmelzzusammensetzung und die Kristallzusammensetzung ändern sich entsprechend den roten Pfeilspitzen. Bei der Temperatur TA kristallisiert die Restschmelze als reines A aus. Der Kristall des Beispiels hat also eine Zusammensetzung von 95% B und 5% A in Kern und besteht aussen nur aus Komponente A. So enstehen oftmals Farbverläufe.

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Das vierte Bild zeigt eine peritektische Zersetzung einer Komponente AB. Wird die Komponente AB erwärmt, zerfällt Sie am peritektischen Punkt in eine A-reiche Schmelze und dem Festkörper B. Bei höheren Temperaturen liegt wiederum eine Schmelze mit der Zusammensetzung AB vor. Beim Abkühlen kristallisiert wiederum zuerst die Komponente B aus, und erst wenn die peritektische Temperatur unterschritten ist, die Verbindung AB; anschliessend das Eutektikum zwischen A und AB.

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Eine intermediäre Phase - in diesem Fall AB - schneidet ein Phasendiagramm in zwei Teile. Jedes stellt ein quasibinäres System da, in dem Beispiel zwei eutektische Systeme. ALs Beispiel sei das System TiO2-Al2O3 (Rutil-Korund) mit der Phase Al2TiO5 genannt.



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