实验 二组分固液金属相图的测绘
二组分金属固液相图的绘制
专业：材料化学学号：080240008实验人：胡文想同实验人：李会勇实验名称：物化实验气压：101.325Kpa 温度：25℃二组分金属固液相图的绘制实验目的1.掌握热分析法（步冷曲线法）测绘Bi-Sn二组分固-液相图的原理和方法。
2.了解简单二组分固-液相图的特点。
3.掌握KWL-07可控升降温电炉及SWKY-Ⅲ数字控温仪的使用方法。
实验原理热分析法则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系，这是绘制金属相图最常用的实验方法。
其原理是将系统加热熔融，然后使其缓慢而均匀地冷却，每隔一定时间记录一次温度，绘制温度与时间关系曲线——步冷曲线。
若系统在均匀冷却过程中无相变化，其温度将随时间均匀下降。
若系统在均匀冷却过程中有相变化，由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。
二组分系统相图有多种类型，其步冷曲线也各不相同，但对于简单二组分凝聚系统，其步冷曲线有三种类型，见图II-7-1。
图II-7-1 生成简单低共熔混合物的二组分系统图II-7-1A为纯物质的步冷曲线。
冷却过程中无相变发生时，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有固体析出，建立单组分两相平衡，f=0，温度不变，步冷曲线出现水平段bc，直至液体全部凝固(c点)，温度又继续均匀下降。
水平段所对应的温度为纯凝固点。
图II-7-1B 为二组分混合物的步冷曲线。
冷却过程中无相变发生，系统温度随时间均匀降低，至b点开始有一种固体析出，随着该固体析出，液相组成不断变化，凝固点逐渐降低，到c点，两种固体同时析出，固液相组成不变，系统建立三相平衡，此时f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段cd，当液体全部凝固(d点)，温度又继续均匀下降。
水平段cd所对应的温度为二组分的低共熔点温度。
图II-7-1c 为二组分低共熔混合物的步冷曲线。
冷却过程中无相变发生，系统温度随时间均匀降低，至b点，两种固体按液相组成同时析出，系统建立三相平衡，f=0，温度不随时间变化，步冷曲线出现水平段bc，当液体全部凝固（c点），温度又继续均匀降低。
实验5二组分固液相图的绘制
实验7
二组分固-液相图的绘制
物理化学研究室
何广平
实验目的
(1)学会用热分析法测绘Sn—Pb二组分金属 相图,了解固-液相图的基本特点。 (2) 掌握热电偶测量温度的原理及热电偶的 校正方法。 (3) 了解热分析法测量技术。
实验评注与拓展
绘制固液二组分相图的方法通常有溶解度法和热分析法。
溶解度法
指在确定的温度下，直接测定固液两相平衡时溶液的 浓度，然后根据测得的温度和相应的溶解度数据绘制相图， 这种方法使用于常温下易测定组成的体系，如水-盐二组分体 系等。 热分析法 适用于常温下不便直接测定固液平衡时溶液组成的体系(如合 金和有机化合物凝聚体系),通常利用相变时的热效应来测定组 成以确定体系的温度,然后根据选定的一系列不同组成的二组 分体系所测定的温度绘制相图.此种方法简单、易于推广，对 于一些二组分金属体系，若挥发的蒸汽对人体健康有害，则 可采用热分析法的另一种差热分析（DTA）或差示扫描（ DSC）法绘制相图。
提问与思考
(1) 对于不同组成混合物的步冷曲线，其转折点与水平 段有什么不同? (2) 步冷曲线上为什么会出现转折点?纯金属、低共熔 混合物及合金的转折点各有几个?曲线形状有何不同? 为什么? （3）试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的 异同点。
参考文献
（1）清华大学化学系物理化学实验编写组编.物理化学实验.北 京:清华大学出版社, 1992 （2）复旦大学等编 庄继华等修订 物理化学实验(第三版).北京 高等教育出版社2005 （3）傅献彩 沈文霞 姚天扬编 .物理化学(第四版).北京:高等教 育出版社,1994 (4) McGRAW HILL, Experiments in physical chemistry, 7thed. 2003
二组分固---液相图的绘制
《物理化学实验》讲义 第三部分 实验 德州学院化学系 王敦青二组分固---液相图的绘制一、实验目的1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。
2.了解热分析法测量技术。
3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。
二、预习要求了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。
三、实验原理测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。
当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。
利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。
二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。
图1 根据步冷曲线绘制相图 拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。
用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。
此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。
见图2。
遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。
图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。
当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。
若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。
二组分金属相图的绘制
二组分金属相图的绘制一、实验目的1.了解固-液相图的基本特点；2.学会用热分析法测绘Sn—Bi二组分金属相图；3.了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法。
二、实验原理测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。
当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。
利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。
二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。
图1 根据步冷曲线绘制相图将步冷曲线的转折温度与对应的组成描点，连结这些点得液相单相区与固液双相区的分界线；由各组成样品平台温度的平均值做低共熔线；从低共熔线往下作垂线，垂线长度对应的平台长度，连接这些点得塔曼三角形，从而确定固溶体区的边界和低共熔点。
用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。
此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度；但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难，见图2。
遇此情况，可延长dc 线与ab 线相交，交点e 即为转折点。
三、仪器及试剂1.仪器: 数字控温仪；KWL-08可控升降温电炉；铂电阻温度传感器；计算机2.药品: Sn(化学纯)；Bi(化学纯)；石墨粉。
四、实验步骤1. 配制Bi 质量百分数为5％、20％、40％、60％、70％、80％、95％的Bi-Sn 混合物 克，分别装入金属样品管中，再加入少许石墨（约 克），以防金属加热过程中接触空气而氧化。
Bi Cd二组分固液相图的测绘
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化
心
学实验教
中 学
Ⅲ实验内容
1
纯Bi ：Tf = 271.4℃，纯 Cd：Tf = 321℃。三相
点温度约140℃～150℃，测量温度范围在 130～280℃
之间的步冷曲线。最低共熔物组成：Cd 40 ％、Bi 60 ％。
2
实验实测含Bi 20 ％、40％、60％、80％ 四条步
冷曲线.
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化
心
学实验教
中 学
基础物理化学实验
Bi-Cd 二组分固液相图的测绘
化
心
学实验教
中 学
Ⅰ 实验目的
1. 了解固- 液相图的基本特点；
2. 用热分析法测绘Bi-Cd 二元金属的相图。
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化
心
学实验教
中 学
Ⅱ 实验原理
热分析法是相图绘制工作中常用的一种实验方法。按 一定比例配成均匀的液相体系，让它缓慢冷却。以体系温 度对时间作图，则为步冷曲线。曲线的转折点表征了某一 温度下发生相变的信息。
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化
心
学实验教
中 学
2 讨论
1) 根据实验结果讨论各步冷曲线的降温速率是 否得当？
2) 试用凝固点降低理论估算各样品的新相生成 温度并与实验结果比较。
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化
心
Hale Waihona Puke 学实验教中 学Ⅴ 实验延伸
1 测定铅- 锡二元金属相图。
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化
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学实验教
中 学
Ⅵ 参考文献
1）复旦大学等编 物理化学实验. 北京：高等教育 出版社，2005；1993。
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化
心
学实验教
中 学
实验7 二组分固-液相图的绘制
实验评注与拓展
绘制固液二组分相图的方法通常有溶解度法和热分析法。
溶解度法
指在确定的温度下，直接测定固液两相平衡时溶液的 浓度，然后根据测得的温度和相应的溶解度数据绘制相图， 这种方法使用于常温下易测定组成的体系，如水-盐二组分体 系等。 热分析法 适用于常温下不便直接测定固液平衡时溶液组成的体系(如合 金和有机化合物凝聚体系),通常利用相变时的热效应来测定组 成以确定体系的温度,然后根据选定的一系列不同组成的二组 分体系所测定的温度绘制相图.此种方法简单、易于推广，对 于一些二组分金属体系，若挥发的蒸汽对人体健康有害，则 可采用热分析法的另一种差热分析（DTA）或差示扫描（ DSC）法绘制相图。
定压下将体系熔融后，使之从高温逐渐冷却，每隔一定时间记录一次温 度，作温度对时间的变化曲线，即步冷曲线。
当熔融体系在冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降并得到一 条光滑的步冷曲线;若冷却过程中体系发生相变，则体系中产生的相变热将与 自然冷却时体系放出的热量相抵偿，步冷曲线会出现转折点，转折点所对应 的温度即为体系发生相变的温度。 测定一系列组成不同样品的步冷曲线，利用步冷曲线所得到的一系列组 成和所对应的相变温度数据，以横轴表示样品的组成，纵轴表示开始出现相 变的温度，把这些点连接起来，可绘制出金属相图。
数据处理
（1）用已知纯Pb、纯Sn的熔点及水 的沸点作横坐标，以各纯物质相变 点的热电势为纵坐标,画出热电偶的 T-E工作曲线. （2）找出各步冷曲线中拐点和平台对 应的热电势. （3）从热电偶的工作曲线上查出各拐 点温度和平台温度，以温度为纵坐 标，以组成为横坐标，绘出Sn—Pb 二元金属相图. (4)从所得相图中求出低共溶点的温度 以及低共溶混合物的组成
提问与思考
二组分固液相图的测绘实验报告思考题答案
二组分固液相图的测绘实验报告思考题答案专业：xxxx 学号：xxxxx实验人：xxx 同实验人：xxx实验名称：物化实验气压：101.325Kpa 温度：25℃二组分金属固液相图的绘制实验目的1. 掌握热分析法（步冷曲线法）测绘Bi-Sn二组分固-液相图的原理和方法。
2. 了解简单二组分固-液相图的特点。
3. 掌握KWL-07可控升降温电炉及SWKY-Ⅲ数字控温仪的使用方法。
实验原理热分析法则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系，这是绘制金属相图最常用的实验方法。
其原理是将系统加热熔融，然后使其缓慢而均匀地冷却，每隔一定时间记录一次温度，绘制温度与时间关系曲线——步冷曲线。
若系统在均匀冷却过程中无相变化，其温度将随时间均匀下降。
若系统在均匀冷却过程中有相变化，由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消，步冷曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成体系的相变温度。
二组分系统相图有多种类型，其步冷曲线也各不相同，但对于简单二组分凝聚系统，其步冷曲线有三种类型。
实验步骤1. 连接数字控温仪和可控升降温电炉，接通电源。
由于本仪器可同时测量份样品，样品搭配为1号（0%的Bi）和3号（58%的Bi）,2号（30%的Bi）和4号（80%的Bi），最后测5号（100%的Bi）。
2. 先取1号和3号样品管放至控温区电炉的两炉膛，传感器1置于传感器插孔测炉温，传感器2置于任一样品管测样品温度。
打开数字控温仪的开关，设定温度，一般为样品全部熔化后再升高50℃为宜。
设好后，将控温仪调制工作状态，控温区电炉开始加热，在样品熔化的过程中，同时对试样进行搅拌，待样品完全熔化后，打开电炉电源开关，调节“加热量调节”旋钮对测温区电炉进行补热，补热大小为比转折点或平台所对应的温度低50℃。
3. 补热合适时，关闭“加热量调节”，用钳子将熔化好的样品管小心移至测温去炉膛，并将两只传感器1和2插入样品管中，记住两支传管器所对应的样品组成，同时将下面要测的2号和4号样品管置于加热区炉膛，进行预热。
二组分固-液相图的测绘
T
B
T
B
A
A
ห้องสมุดไป่ตู้
A 0
W(D)/%
步冷曲线与相图
(D)/%
((()(D(
B 100
本实验采用了 JX-3D 型金属相图实验装置，其可以直接测出 Pb-Sn 合金体系的温度~时间步 冷曲线，从该步冷曲线能够之间读出相变点温度，但不需做热电偶工作曲线。 三、仪器试剂 JX-3D 型金属相图实验装置 一套 不锈钢样品管 6支 铅（A.R） 锡（A.R） 铋（A.R） 石墨粉 硅油 四、实验项目 1) 配置样品 按含 Sn 0%，20%， 40%，61.9%，80%，及 100%配好样品（150g） 。为防止样品氧化，样 品表面需覆盖一层石墨粉。每一样品试管内都需另加一小套管，小套管内滴入少量硅油以增 加传热速度。 2) 分别测定上述样品及 3 种纯物质的步冷曲线 打开“JX-3D 型金属相图实验装置”控制箱的仪器电源，将感温探头置于 1#样品的内管 中，同时将“加热炉”的旋钮旋至“1 档” 。按“设置”键，将感温探头调节到比 1#样品的凝 固点高 30℃左右的数值处，读数时间设置为 30 秒，其他各项可用其缺省值。按下“加热”按 钮仪器随之对 1#样品进行加热。当温度达到设定温度后，仪器会自动停止加热。注意观察仪 器上的温度读数。当温度开始下降时，每 30 秒记录一个温度值，直至出现平台后在比此温度 低 20-30℃后停止记录。 同法测定其他样品的步冷曲线。注意：测定几号样品，就将感温探头至于几号样品的内 管中，同时将“加热炉”的旋钮旋至与样品同一号数的档位处。
Pb步冷曲线
350.0 340.0 330.0 320.0 310.0 300.0 290.0 280.0 0 200 400 600 Pb 330.0 310.0 290.0 270.0 250.0 230.0 210.0 190.0 170.0 150.0 0
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I.目的与要求
一、用热分析法测绘铅-锡二元金属相图，了解固-液相图的特点
二、学会热电偶的制作、标定和测温技术
三、掌握自动平衡记录仪的使用方法
I I.基本原理
一、二组分固-液相图
人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质的组成为自变量，温度为应变量所得到的T- 图是常见的一种相图。二组分相图已经得到广泛的研究和应用。固-液相图多应用于冶金、化工等部门。
5、锡熔化焓：7.196KJ· mo1-1(1720 ca1·mo1-1)，60.3J·g-1(14.4cal·g-1)［4］；
Ⅵ,提问思考
一、步冷曲线各段的斜率以及水平段的长短与那些因素有关？
二、根据实验结果讨论各步冷曲线降温速率控制是否得当？
三、试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的异同点。
III.仪器试剂
立式加热电炉（800W）1只
调压变压器（1kVA）1只
宽肩硬质玻璃样品管（18mm200mm,肩30mm）8只
自动平衡记录仪1台
热电偶（镍铬-康铜）
铅（化学纯）锡（化学纯）
IV.实验步骤
一、热电偶的制作
热电偶的具体制作可参考以下步骤：取一段长约60cm的镍铬丝，用小瓷管穿好。在其两端大约5cm处分别与两段长各50cm的考铜丝紧密扭合在一起。把扭合的部分稍为加热立即蘸上少许硼砂粉。用小火加热，使硼砂熔化并形成玻璃态。然后放在电弧焰或其它高温焰火小心烧结至形成一个光滑的小珠（注意温度控制及操作安全）。将硼砂玻璃层除去并退火。
*4、铋和苯甲酸的步冷曲线上取两支宽肩玻璃样品管，分别装入铋100 g。
和苯甲酸50 g。如上述操作，测出其相变时的热电势值。
*5、水的沸点将热电偶玻璃套置于沸腾的蒸馏水中测定其热电势。注意较正大气压力对沸点的影响。
以上测定均需注意热电偶的冷端为00C（冰水混合物）。
Ⅴ.数据处理
一、热电偶工作曲线
以水的沸点，苯甲酸、锡、铋和铅的凝固点对实测各相变点的热电势值作图，画出该热电偶的Ｔ－Ｅ或Ｅ－Ｔ工作曲线。
二、步冷曲线
用坐标纸绘出各样的步冷曲线，确定各相变点的热电势值。从热电偶工作曲线上查得相应温度值。
三、铅一锡相图
根据称样所得样品的准确组成及其相应相变温度，绘制相图。从相图上找出最低共熔点坐标。
四、文献值
1、铅锡混合物的熔点
质量
Pb
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
分数
Sn
0
10
20
30
40
系相似。与曲线（I）相比，其组分数由1变为2，但析出的固相数也由1变为2，所以TE也是定值。
曲线（II）代表了上述两组成之间的情况。设把一个组成为x1的液相冷却至T1时，即有B的固相析出。与前两种情况不同，这时体系还有一个自由度，温度将继续下降。不过，由于B的凝固所释放的热效应应将使该曲线的斜率明显变小，在T1处出现一个转折。
50
60
70
80
90
100
熔点/0C
326
276
262
240
220
190
185
200
216
232
2、铅一锡相图及最低共熔点
图3铅一锡固液相图
最低共熔点：456K(1830C)，Xsn＝0.74，Wsn＝61.9%
3、相变点见附录五表V-5-8。
4、铅熔化焓：5.121KJ· mo1-1(1224 ca1·mo1-1)，24.7J·g-1(5.9cal·g-1)；
其它类型的固一液相图将在下面讨论。
二、热分析法和步冷曲线
热分析法是相图绘制工作中常用的一种实验方法。按一定比例配成均匀的液相体系，让它缓慢冷却。以体系温度对时间作图，则为步冷曲线。曲线的转折点表征了某一温度下发生相变的信息。由体系的组成和相变点的温度作为T- 图上的一个点，众多实验点的合理连接就成了相图上的一些相线，并构成若干相区。这就是用热分析法绘制固-液相图的概要。
3、步冷曲线将加热电炉与调压器相连，注意连线顺序，否则会将调压器烧坏，将调压器调到0V，并与电源连接。将热电偶与自动平衡记录仪相连，注意不要把顺序接反，然后将热电偶的热端插入样品管中央热电偶的玻璃套管中，再将自动平衡记录仪接通电源。将自动平衡记录仪上的抬笔开关提上去，打开电源，选择量程为50mv，走纸速度为最小4mm/min。然后按要求进行调零点，一般将零点调在10个小格左右（为什么？）。调好零点后，再按要求把热电偶接好，将样品管放在加热电炉中，将调压器打倒150V缓慢加热。待样品开始熔化后迅速将调压器调到0V，用热电偶玻璃套管轻轻搅动，使管内各处组成均匀一致，样品表面上也都均匀地覆盖着一层石墨粉。将热电偶固定于样品管中央，热端插入样品液面下约3cm，但与管底距离应不小于1cm，以避免外界影响。待样品完全熔化后再搅拌一分钟，停止搅拌，落笔，随着温度的缓慢降低，自动平衡记录仪会自动记录步冷曲线。注意不要提前结束实验，直至降至三相共存温度（平台）出现约一厘米左右，抬笔，停止实验，做下一个样品。操作方法同前，全部样品作完以后，抬笔，将走纸速度调到最大，将记录纸走出，撕下记录纸作为实验数据进行处理，交实验报告时记录纸要同时上缴。因为加热电炉保温效果比较好，为了节省时间，样品一般按融化温度由低到高的顺序来做。
图1（b）为与图1（a）标示的三个组成相应的步冷曲线。曲线（I）表示将纯B液体冷却至TB时，体系温度将保持恒定，直到样品完全凝固。曲线上出现一个水平段后再继续下降。在一定压力下，单组分的两相平衡体系自由度为零，TB是定值。曲线（III）具有最低共熔物的成分，该液体冷却时，情况与纯B体
图1简单低共熔固-液相图（a）及其步冷曲线示意图（b）
二组分体系的自由度与相的数目有以下关系：
自由度=组分数–相数+ 2（1）
由于一般的相变均在常压下进行，所以压力P一定，因此以上的关系式变为：
自由度=组分数–相数+ 1（2）
又因为一般物质其固、液两相的摩尔体积相差不大，所以固-液相图受外界压力的影响颇小。这是它与气-液平衡体系的最大差别。
图1以邻-、对-硝基氯苯为例表示有最低共熔点相图的构成情况：高温区为均匀的液相，下面是三个两相共存区，至于两个互不相溶的固相A、B和液相L三相平衡共存现象则是固-液相图所特有的。从式（2）可知，压力既已确定，在这三相共存的水平线上，自由度等于零。处于这个平衡状态下的温度TE、物质组成A、B和 都不可变。TE和 构成的这一点成为最低共熔点。
为绝缘起见，使用时常将热电偶套在较细的硬质玻璃管中，管内再注入少量硅油以改善导热性能。
二、步冷曲线的测绘
1、装置示意图2所示。电位差计的工作原理和使用方法可参阅复旦大学编写的物理化学实验教材技术部分第二章第III五节和仪器六。
图2步冷曲线测定装置示意图
2、样品配制在6个宽肩硬质玻璃管中，分别称入纯铅100，80，60，38.1，20，0g，再称入纯锡0，20，40，61.9，80，100g。称准至0.1g。样品上都加上少量石墨粉（为什么？）。