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AzeotropeAzeotropeViele binViele binääre flre flüüssige Mischungen zeigen das vorhin diskutierte Siedediagramm, dossige Mischungen zeigen das vorhin diskutierte Siedediagramm, doch ch zahlzahl--reichereiche wichtige Systeme weichen davon ab. Ein solches Verhalten kann awichtige Systeme weichen davon ab. Ein solches Verhalten kann auftreten, wenn die uftreten, wenn die Wechselwirkungen zwischen den beiden Komponenten A und B die FlWechselwirkungen zwischen den beiden Komponenten A und B die Flüüssigkeit stabilisieren ssigkeit stabilisieren mit der Folge, dass bei einer bestimmten Zusammensetzung der Siemit der Folge, dass bei einer bestimmten Zusammensetzung der Siedepunkt hdepunkt hööher liegt als die her liegt als die Siedepunkte der Einzelkomponenten (z.B. Chloroform und Siedepunkte der Einzelkomponenten (z.B. Chloroform und Aceton)(sieheAceton)(siehe Abbildung). Ebenso Abbildung). Ebenso kommen Siedekurven mit einem Minimum vor (z.B. Ethanol und Wassekommen Siedekurven mit einem Minimum vor (z.B. Ethanol und Wasser). r).

Kommt es zu einem Extremwert wie in der Kommt es zu einem Extremwert wie in der nebenneben--stehendenstehenden Abbildung, so hat das wichtige Abbildung, so hat das wichtige Konsequenzen fKonsequenzen füür die Destillation. Bei fortschreitender r die Destillation. Bei fortschreitender Verdampfung (von aVerdampfung (von a11 kommend) verschiebt sich die kommend) verschiebt sich die Zusammensetzung der verbleibenden FlZusammensetzung der verbleibenden Flüüssigkeit ssigkeit (wenn der Dampf abgezogen wird) hin zu B, w(wenn der Dampf abgezogen wird) hin zu B, wäährend hrend A entfernt wird. Der Siedepunkt der FlA entfernt wird. Der Siedepunkt der Flüüssigkeit steigt, ssigkeit steigt, und der Dampf reichert sich mit der Komponente B und der Dampf reichert sich mit der Komponente B an. Ist genug A verdampft, so dass die Flan. Ist genug A verdampft, so dass die Flüüssigkeit die ssigkeit die Zusammensetzung aZusammensetzung a44 aufweist, dann hat deren Dampf aufweist, dann hat deren Dampf dieselbe Zusammensetzung. Die Verdampfung erfolgt dieselbe Zusammensetzung. Die Verdampfung erfolgt nun ohne eine nun ohne eine ÄÄnderung der Zusammensetzung nderung der Zusammensetzung ⇒⇒ die die Mischung bildet ein Mischung bildet ein AzeotropAzeotrop ((““Sieden ohne Sieden ohne ÄÄnderungnderung““). Nach Erreichen der ). Nach Erreichen der azeotropenazeotropenZusammensetzung ist eine Trennung der beiden Zusammensetzung ist eine Trennung der beiden FlFlüüssigkeiten durch Destillation nicht mehr mssigkeiten durch Destillation nicht mehr mööglich.glich.

BB AA

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FlFlüüssig/Festssig/Fest--PhasendiagrammePhasendiagrammeFeste und flFeste und flüüssige Phasen kssige Phasen köönnen in einem System bei Temperaturen unterhalb des nnen in einem System bei Temperaturen unterhalb des SiedeSiede--punktespunktes nebeneinander vorliegen (z.B. bei zwei Metallen wie Antimon (Sbnebeneinander vorliegen (z.B. bei zwei Metallen wie Antimon (Sb) und Wismut (Bi), ) und Wismut (Bi), die bis hinauf zu ihrem Schmelzpunkten praktisch nicht miteinanddie bis hinauf zu ihrem Schmelzpunkten praktisch nicht miteinander mischbar sind). Ein er mischbar sind). Ein solches Phasendiagramm zeigt die Abbildung. Bei solches Phasendiagramm zeigt die Abbildung. Bei aa11 liegt 2liegt 2--KomponentenflKomponentenflüüssigkeit vor. Bei ssigkeit vor. Bei AbkAbküühlung auf hlung auf aa22 erreicht sie das mit erreicht sie das mit ““FlFlüüssigkeit + Assigkeit + A““ bezeichnete Zweiphasengebiet (fast bezeichnete Zweiphasengebiet (fast reiner Festkreiner Festköörper A scheidet sich aus der Flrper A scheidet sich aus der Flüüssigkeit ab). Beim weiteren Abkssigkeit ab). Beim weiteren Abküühlen auf hlen auf aa33bildet sich noch mehr Festkbildet sich noch mehr Festköörper und die relativen Mengen folgen dem Hebelgesetz. Bei rper und die relativen Mengen folgen dem Hebelgesetz. Bei aa44ist weniger Flist weniger Flüüssigkeit vorhanden als bei ssigkeit vorhanden als bei aa33 und die Zusammensetzung der Flund die Zusammensetzung der Flüüssigkeit ist ssigkeit ist durch durch ee gegeben. Diese Flgegeben. Diese Flüüssigkeit erstarrt nun zu einem 2ssigkeit erstarrt nun zu einem 2--PhasenPhasen--System von fast reinem A System von fast reinem A und B und B ⇒⇒ bei bei aa55 sind die Zusammensetzungen der beiden festen Phasen sind die Zusammensetzungen der beiden festen Phasen aa55´́ und und aa55´´´´ . .

Die vertikale Linie durch Die vertikale Linie durch e e gibt die gibt die eutektischeeutektische ZusamZusam--mensetzungmensetzung anan ((““gut schmelzengut schmelzen““). ). Eine FlEine Flüüssigkeit mit ssigkeit mit der der eutektischeneutektischen Zusammensetzung erstarrt bei einer Zusammensetzung erstarrt bei einer einzigen Temperatur, ohne zuvor festes A oder B aus einzigen Temperatur, ohne zuvor festes A oder B aus der Lder Löösung abzuscheiden. Lsung abzuscheiden. Löösungen mit sungen mit ZusammenZusammen--setzungensetzungen rechts von rechts von ee scheiden beim Abkscheiden beim Abküühlen A ab; hlen A ab; aus Laus Löösungen mit Zusammensetzungen links von sungen mit Zusammensetzungen links von eewird B abgeschieden. Ein technisch wichtiges wird B abgeschieden. Ein technisch wichtiges EutektiEutekti--kumkum ist List Löötzinn (67% (w/w) Zinn und 33% (w/w) Blei) tzinn (67% (w/w) Zinn und 33% (w/w) Blei) mit einem Schmelzpunkt von 183mit einem Schmelzpunkt von 183°°C. Auch C. Auch NaClNaCl/H/H22O O im Verhim Verhäältnis 23/77 ist ltnis 23/77 ist EutektikumEutektikum mit Schmelzpunkt mit Schmelzpunkt bei bei --21.121.1°°C. D.h. wenn vereiste Strasse mit Salz C. D.h. wenn vereiste Strasse mit Salz gege--streutstreut wird, dann schmilzt die Mischung, wenn die wird, dann schmilzt die Mischung, wenn die Temperatur Temperatur üüber ber --21.121.1°°C liegt. C liegt.

P = 1

P = 2Festkörper

P=1

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Ultrareinheit und kontrollierte VerunreinigungenUltrareinheit und kontrollierte VerunreinigungenEinige technische Entwicklungen (z.B. Halbleiterbauelemente aus Einige technische Entwicklungen (z.B. Halbleiterbauelemente aus Si oder Ge) erfordern Si oder Ge) erfordern Materialien mit extremer Reinheit. Betrachten wir eine binMaterialien mit extremer Reinheit. Betrachten wir eine binääre Flre Flüüssigkeit ( ) der ssigkeit ( ) der ZusamZusam--mensetzungmensetzung aa (siehe Abbildung), dann liegt im Wesentlichen die Komponente B (siehe Abbildung), dann liegt im Wesentlichen die Komponente B mit einer mit einer geringen Beimengung von A vor. Beim Abkgeringen Beimengung von A vor. Beim Abküühlen auf hlen auf aa11 entsteht ein Festkentsteht ein Festköörper mit der rper mit der Zusammensetzung Zusammensetzung bb1 1 (er enth(er enthäält weniger A, ist also etwas reiner als die Fllt weniger A, ist also etwas reiner als die Flüüssigkeit, liegt ssigkeit, liegt aber nur in geringer Menge vor). Er kann als Ausgangsmaterial faber nur in geringer Menge vor). Er kann als Ausgangsmaterial füür die nr die näächste Stufe einer chste Stufe einer fraktionierten Kristallisation fraktionierten Kristallisation verwendet werden und fverwendet werden und füührt dann zu reinem B. Die Abb. gilt hrt dann zu reinem B. Die Abb. gilt nur, wenn das Erstarren so langsam ablnur, wenn das Erstarren so langsam ablääuft, dass die Zusammensetzung des Festkuft, dass die Zusammensetzung des Festköörpers rpers einheitlich ist und den Gleichgewichtswert annimmt. Beim einheitlich ist und den Gleichgewichtswert annimmt. Beim ZonenschmelzenZonenschmelzen nutzt man die nutzt man die Tatsache, dass das System nicht im Gleichgewicht ist. Tatsache, dass das System nicht im Gleichgewicht ist. Entscheidend ist, dass die Entscheidend ist, dass die VerunVerun--

reinigungreinigung in der geschmolzenen Substanz besser in der geschmolzenen Substanz besser llööslich ist als im festen Material. Die geschmolzene slich ist als im festen Material. Die geschmolzene Zone wird durch die FlZone wird durch die Flüüssigkeit bei der Vertikalen ssigkeit bei der Vertikalen durch durch aa reprreprääsentiert und die Verunreinigung sei sentiert und die Verunreinigung sei die Komponente A. Ldie Komponente A. Läässt man die Probe auf sst man die Probe auf aa22abkabküühlen, dann scheidet sich ein Festkhlen, dann scheidet sich ein Festköörper der rper der Zusammensetzung Zusammensetzung bb22 ab und die verbleibende ab und die verbleibende FlFlüüssigkeit (die beheizte Zone) liegt bei ssigkeit (die beheizte Zone) liegt bei aa22´́ (ist also (ist also mit der Verunreinigung A angereichert). Dieser mit der Verunreinigung A angereichert). Dieser Prozess wird dann weiter fortgesetzt, bis die flProzess wird dann weiter fortgesetzt, bis die flüüssige ssige Phase fast reines A enthPhase fast reines A enthäält. In der Praxis wird die lt. In der Praxis wird die Verunreinigung an einem Ende gesammelt, indem Verunreinigung an einem Ende gesammelt, indem eine schmale, geschmolzene Zone mehrfach von eine schmale, geschmolzene Zone mehrfach von einem Ende der Probe zum anderen Ende gefeinem Ende der Probe zum anderen Ende gefüührt hrt wird.wird.

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ZonenschmelzenZonenschmelzen

Beim Zonenschmelzen hat die Probe die Form eines dBeim Zonenschmelzen hat die Probe die Form eines düünnen Zylinders. Das Material wird in nnen Zylinders. Das Material wird in einer schmalen, scheibenfeiner schmalen, scheibenföörmigen Zone rmigen Zone aufgeschmolzenaufgeschmolzen, die vom einen Ende des Zylinders , die vom einen Ende des Zylinders zum anderen gefzum anderen gefüührt wird. Die flhrt wird. Die flüüssige Zone sammelt wssige Zone sammelt wäährend ihrer Wanderung die hrend ihrer Wanderung die Verunreinigung(enVerunreinigung(en). In der Praxis wird die hei). In der Praxis wird die heißße Zone wiederholt zu einem Ende des e Zone wiederholt zu einem Ende des Materials gefMaterials gefüührt. Dieses Ende ist die hrt. Dieses Ende ist die ““DeponieDeponie““ ffüür die r die Verunreinigung(enVerunreinigung(en). Nach ). Nach AbkAbküühlung entsteht hier ein sthlung entsteht hier ein stäärker verunreinigter Feststoff, der verworfen werden kann. rker verunreinigter Feststoff, der verworfen werden kann.

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FlFlüüssigkristalle ssigkristalle –– Liquid CrystalsLiquid Crystals

crystalline(position long-range order)

smectic nematic(orientation long-range order)

isotropic(short-range order)

Temperature

Tm TSmN Tc

Bei einigen Verbindungen gibt es zwischen dem kristallinen FestsBei einigen Verbindungen gibt es zwischen dem kristallinen Feststoff und der toff und der isotropenisotropen FlFlüüssigkeit ssigkeit sogenanntesogenannte flflüüssigkristalline Zwischenzustssigkristalline Zwischenzustäände (nde (MesophasenMesophasen)). . Beim Schmelzen einer flBeim Schmelzen einer flüüssigkristallinen Substanz bleibt ein Teil der Fernordnung ssigkristallinen Substanz bleibt ein Teil der Fernordnung erhalten. Dieses Pherhalten. Dieses Phäänomen tritt bevorzugt bei nomen tritt bevorzugt bei anisotroperanisotroper MolekMoleküülgeometrie auf.lgeometrie auf.

FlFlüüssigkristalle (liquid ssigkristalle (liquid crystalscrystals)) gehgehöören heute mit zu den wichtigsten Materialien.ren heute mit zu den wichtigsten Materialien.

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Nachtrag: eine wichtige Methode zur Strukturanalyse von Nachtrag: eine wichtige Methode zur Strukturanalyse von FestkFestköörpern ist die Rrpern ist die Rööntgenstreuungntgenstreuung

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Die Die AnisotropieAnisotropie von Flvon Flüüssigkristallenssigkristallen

X Y

starres Mesogenflexible aliphatische Kette

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FlFlüüssigkristalle sind aus unserem tssigkristalle sind aus unserem tääglichen Leben nicht glichen Leben nicht mehr wegzudenkenmehr wegzudenken

FlFlüüssigkristallanzeigessigkristallanzeigeLiquid Crystal Displays (Liquid Crystal Displays (LCDsLCDs))

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Wie funktioniert eine LCD ?Wie funktioniert eine LCD ?

Die Effekte, die wir in einer FlDie Effekte, die wir in einer Flüüssigkristallanzeige ssigkristallanzeige beobachten, beruhen auf der beobachten, beruhen auf der ReorientierungReorientierung der der FlFlüüssigkristallessigkristalle unter dem unter dem EinfluEinflußß eines elektrischen eines elektrischen Feldes zwischen zwei ElektrodenFeldes zwischen zwei Elektroden..

Die ZeitauflDie Zeitauflöösung dieser Vorgsung dieser Vorgäänge liegt dabei im nge liegt dabei im Bereich von Bereich von ≈≈ 1010--6 6 s.s.

200

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Schematische Darstellung der Schematische Darstellung der ReorientierungReorientierungnematischernematischer FlFlüüssigkristallessigkristalle

unter dem Einfluss eines unter dem Einfluss eines elektrischen Feldeselektrischen Feldes

OrientierungsOrientierungs--schicht (PI)schicht (PI)

ElektrodenElektroden

elektrisches Feld: auselektrisches Feld: aus elektrisches Feld: einelektrisches Feld: ein

FlFlüüssigssig--kristallekristalle