Back to chapter

11.13:

Fasendiagram

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Phase Diagrams

Idiomas

COMPARTILHAR

Kooldioxide kan onder bepaalde temperaturen en drukken bestaan als een vaste stof, vloeistof of gas. Deze afhankelijkheid wordt in kaart gebracht in een fasediagram, dat drie algemene kenmerken omvat:gebieden, lijnen en punten. Gebieden vertegenwoordigen de temperatuur-en drukomstandigheden voor een enkele fase.Bij standaarddruk kan kooldioxide vast of gasvormig zijn, afhankelijk van de temperatuur. Bij drukken onder 5, 1 atmosfeer, als de temperatuur van vast kooldioxide wordt verhoogd, zal het direct overgaan naar de gasfase zonder door de vloeibare vorm te gaan. Een overgang door alle drie de fasen vast naar vloeistof en vloeistof naar gas vindt plaats bij drukken boven 5, 1 atmosfeer.De lijnen of curven die de gebieden scheiden, geven de temperaturen en drukken aan waarbij de fasen aan weerszijden van de curve in evenwicht zijn. Het punt bij 1 atmosfeer en 78, 5 graden Celsius ligt bijvoorbeeld op de curve die de vaste en dampfase scheidt, dus er bestaat onder die omstandigheden een vast-damp-evenwicht. Dienovereenkomstig wordt dit de sublimatiecurve genoemd.Evenzo bestaat het vloeistof-gas-evenwicht op de verdampingscurve, en het vaste-vloeistof-evenwicht bestaat op de smeltkromme. Deze curven zijn meer algemeen bekend als fasegrenzen. Bij 5, 1 atmosfeer en 56, 6 graden Celsius zullen alle drie fasen naast elkaar bestaan.Dit is het tripelpunt van kooldioxide. Bij 73 atmosfeer en 31 graden Celsius zullen zowel de vloeibare als de dampfase van kooldioxide samensmelten tot een enkelfasige superkritische vloeistof. Dit is het kritieke punt van kooldioxide.In het gebied voorbij het kritieke punt kan geen verandering van druk of temperatuur een superkritisch fluïdum in een gas of vloeistof omzetten. Het fasediagram van water heeft een paar opvallende verschillen met dat van kooldioxide. De fusiecurve van kooldioxide heeft een positieve helling, terwijl voor water de helling negatief is.Dit is een atypisch kenmerk van water. Het verhogen van de druk bevordert een overgang van vloeistof naar vaste stof in kooldioxide, maar een overgang van vaste stof naar vloeistof in water. De hogere druk bevordert de dichtere vaste vorm van kooldioxide.In het geval van water heeft de dichtere vloeibare vorm de voorkeur.

11.13:

Fasendiagram

A phase diagram combines plots of pressure versus temperature for the liquid-gas, solid-liquid, and solid-gas phase-transition equilibria of a substance. These diagrams indicate the physical states that exist under specific conditions of pressure and temperature and also provide the pressure dependence of the phase-transition temperatures (melting points, sublimation points, boiling points). Regions or areas labeled solid, liquid, and gas represent single phases, while lines or curves represent two phases coexisting in equilibrium (or phase change points). The triple point indicates conditions of pressure and temperature at which all three phases coexist. In contrast, a critical point indicates the temperature and pressure above which a single phase—whose physical properties are intermediate between the gaseous and liquid states—exists.

Image1

Figure 1. A typical phase diagram.

A phase diagram identifies the physical state of a substance under specified conditions of pressure and temperature. To illustrate the utility of these plots, consider the phase diagram of water, shown below.

Image2

Figure 2. Phase diagram of water.

A pressure of 50 kPa and a temperature of −10 °C corresponds to the region of the diagram labeled “ice.” Under these conditions, water exists only as a solid. A pressure of 50 kPa and a temperature of 50 °C corresponds to the region where water exists only as a liquid. At 25 kPa and 200 °C, water exists only in the gaseous state. Curve BC is the liquid-vapor curve separating the liquid and gaseous regions of the phase diagram and provides the boiling point for water at any pressure. For example, at 1 atm, the boiling point is 100 °C. Notice that the liquid-vapor curve terminates at a temperature of 374 °C and a pressure of 218 atm, indicating that water cannot exist as a liquid above this temperature, regardless of the pressure. The physical properties of water under these conditions are intermediate between those of its liquid and gaseous phases. This unique state of matter is called a supercritical fluid. The solid-vapor curve labeled AB, indicates the temperatures and pressures at which ice and water vapor are in equilibrium. These temperature-pressure data pairs correspond to the sublimation, or deposition, points for water.

The solid-liquid curve labeled BD shows the temperatures and pressures at which ice and liquid water are in equilibrium, representing the melting/freezing points for water. Note that this curve exhibits a slight negative slope, indicating that the melting point for water decreases slightly as pressure increases. Water is an unusual substance in this regard, as most substances exhibit an increase in melting point with increasing pressure. The point of intersection of all three curves—labeled B—is the triple point of water, where all three phases coexist in equilibrium. At pressures lower than the triple point, water cannot exist as a liquid, regardless of the temperature.

Consider the phase diagram for carbon dioxide as another example.

Image3

Figure 3. Phase diagram of carbon dioxide.

The solid-liquid curve exhibits a positive slope, indicating that the melting point for CO2 increases with pressure as it does for most substances. Notice that the triple point is well above 1 atm, indicating that carbon dioxide cannot exist as a liquid under ambient pressure conditions. Instead, cooling gaseous carbon dioxide at 1 atm results in its deposition into the solid-state. Likewise, solid carbon dioxide does not melt at 1 atm pressure but instead sublimes to yield gaseous CO2. Finally, the critical point for carbon dioxide is observed at a relatively modest temperature and pressure in comparison to water.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.4: Phase Diagrams.