溶液与相平衡-相平衡
合集下载
乙醇和水的相平衡方程
乙醇和水的相平衡方程引言乙醇和水是常见的溶液系统，在很多工业和实验室中都会遇到。
了解乙醇和水之间的相平衡方程是研究这个溶液系统的基础，在配制溶液和实验设计中起着重要作用。
本文将介绍乙醇和水的相平衡方程，帮助读者更好地理解和应用。
相平衡的基本概念相平衡是指在一定的温度和压力条件下，两个或多个相之间的物质转化达到动态平衡状态。
在乙醇和水的溶液系统中，物质转化主要是指乙醇和水的相互溶解。
乙醇和水的相溶性乙醇和水是两种不同的物质，在分子结构和化学性质上有差异。
然而，由于它们之间存在一定的相互作用力，导致它们在一定范围内可以相互溶解。
根据乙醇和水的相溶性规律，当温度较低时，乙醇和水在各自的溶剂中会形成独立的相（即乙醇相和水相），两相不会相互溶解；而当温度升高时，乙醇和水的相互作用力会增强，导致它们可以部分或完全相互溶解。
乙醇和水的相平衡方程乙醇和水的相平衡方程描述了乙醇和水之间的相互转化关系。
在一定的温度和压力条件下，该方程可以表示为：乙醇 + 水⇌乙醇-水溶液根据化学反应的法则，上述方程可以进一步表示为：CH3CH2OH + H2O ⇌ CH3CH2OH-H2O这个方程表明，乙醇和水在一定条件下可以形成一个乙醇-水溶液相。
溶液相中的乙醇和水呈现一种动态平衡状态，即乙醇和水之间存在着正向和逆向的溶解反应。
相平衡常数相平衡方程中的正向和逆向反应速率相等时，称为相平衡。
相平衡的程度可以用相平衡常数来衡量，相平衡常数表示正向反应和逆向反应浓度之比，记作K。
在乙醇和水的相平衡方程中，平衡常数K可以表示为：K = [乙醇-水溶液] / ([乙醇] * [水])其中，[乙醇-水溶液]、[乙醇]和[水]分别表示乙醇-水溶液、乙醇和水的浓度。
K的数值越大，表示正向反应相对于逆向反应更倾向于发生，溶液中乙醇和水的浓度更高；反之，K的数值越小，表示逆向反应相对于正向反应更倾向于发生，溶液中乙醇和水的浓度较低。
温度的影响乙醇和水的相互溶解程度受温度的影响。
溶液中的化学平衡-配位平衡
工业废水处理
工业废水中的重金属离子常通过配位反应进行沉 淀或吸附，从而达到净化废水的目的。
环境化学中的配位平衡问题
土壤污染修复
土壤中的重金属离子与有机配体发生配位反应，影响重金属的迁移 和生物有效性，从而影响土壤污染修复效果。
水质监测与净化
水体中的重金属离子、有机污染物等可通过配位反应进行转化和去 除，确保水质安全。
02
在化学分析中，可以利用配位平衡常数来计算溶液中各组分的浓度。
03
在生物学中，配位平衡常数可以用来描述生物体内的金属离子与蛋白 质、酶等生物大分子之间的相互作用。
04
在环境科学中，配位平衡常数可以用来研究重金属离子在土壤、水等 环境介质中的迁移转化行为。
04
配位平衡在化学反应中的作 用
配位反应的速率影响
由能变化等参数，从而预测反应结果。
05
实际应用中的配位平衡问题
工业生产中的配位平衡问题
1 2 3
金属冶炼
在金属冶炼过程中，配位平衡对于控制金属离子 的溶解度和稳定性至关重要，直接影响金属的提 取率和纯度。
化学品的合成与分离
许多化学品的合成和分离涉及到配位平衡，如利 用配位反应合成有机金属化合物、分离稀有元素 等。
03
配位平衡的计算与表示方法
配位平衡的计算
配位平衡是溶液中一种重要的化学平衡， 主要涉及配位体和中心离子之间的相互 作用。
配位平衡的计算通常需要使用平衡常数，如 稳定常数和不稳定常数，来描述配位体和中 心离子之间的结合和解离程度。
平衡常数的值取决于温度、压力和 溶液的组成，可以通过实验测定或 计算得出。
形成配合物的条件
金属离子和配位体需要在一定的条件下形成配合物，如温度、压 力、浓度等。
工业废水中的重金属离子常通过配位反应进行沉 淀或吸附，从而达到净化废水的目的。
环境化学中的配位平衡问题
土壤污染修复
土壤中的重金属离子与有机配体发生配位反应，影响重金属的迁移 和生物有效性，从而影响土壤污染修复效果。
水质监测与净化
水体中的重金属离子、有机污染物等可通过配位反应进行转化和去 除，确保水质安全。
02
在化学分析中，可以利用配位平衡常数来计算溶液中各组分的浓度。
03
在生物学中，配位平衡常数可以用来描述生物体内的金属离子与蛋白 质、酶等生物大分子之间的相互作用。
04
在环境科学中，配位平衡常数可以用来研究重金属离子在土壤、水等 环境介质中的迁移转化行为。
04
配位平衡在化学反应中的作 用
配位反应的速率影响
由能变化等参数，从而预测反应结果。
05
实际应用中的配位平衡问题
工业生产中的配位平衡问题
1 2 3
金属冶炼
在金属冶炼过程中，配位平衡对于控制金属离子 的溶解度和稳定性至关重要，直接影响金属的提 取率和纯度。
化学品的合成与分离
许多化学品的合成和分离涉及到配位平衡，如利 用配位反应合成有机金属化合物、分离稀有元素 等。
03
配位平衡的计算与表示方法
配位平衡的计算
配位平衡是溶液中一种重要的化学平衡， 主要涉及配位体和中心离子之间的相互 作用。
配位平衡的计算通常需要使用平衡常数，如 稳定常数和不稳定常数，来描述配位体和中 心离子之间的结合和解离程度。
平衡常数的值取决于温度、压力和 溶液的组成，可以通过实验测定或 计算得出。
形成配合物的条件
金属离子和配位体需要在一定的条件下形成配合物，如温度、压 力、浓度等。
物理化学第六章相平衡72
（2）物种数与组分数
★物种数S －－系统中含有化学物质种类的数目
例如： NaCl水溶液
S=2 (NaCl 、H2O) S=3 (Na+ 、Cl -、 H2O)
S=5 (Na+ 、Cl -、H + 、OH - 、 H2O)
结论：对于一个确定的系统，其物种数不是唯一确定的，
可以根据考虑问题的出发点的不同取不同的值。
• 6.1 部分互溶液体的相互溶解度
(1) 共轭溶液
两液体间相互溶解多少与它们的性质有关。 如H2O-C6H5NH2 系统：在常温下只能部分互溶，分为两层。
下层是水中饱和了苯胺(简称水层)； 上层是苯胺中饱和了水(简称胺层)。 这两个平衡共存的液层，称为共轭溶液。 恒压下，当液－液两相平衡时，F＝2－2＋1＝1， 说明两个饱和溶液的组成均只是温度的函数。
内该组分的蒸气分压近似的遵循拉乌尔定律外，其他组分的液 相中组分的蒸气分压均对该定律产生明显的偏差，蒸气总压和 组分并不成线性关系。
正偏差－－组分蒸气压大于按拉乌尔定律的计算值。 负偏差－－组分蒸气压小于按拉乌尔定律的计算值。
• 4.2 压力-组成图
(1) 一般正、负偏差
(2) 最大正、负偏差 ★最大正偏差
★ 使用条件： 适用于多组分系统的两相平衡
xB
xB ( )
n( )
★应用举例
例题：教材P. 221 6.7
解题： m(L1) wB (L2 ) wB m(L2 ) wB wB (L1)
w酚(L1) w酚
m(L1)
m(L1)wB wB (L1) wB (L2) wB m(L2)
w酚 (L2 )
(3) a→b系统加热过程状态变化分析
llg g
1.双组份理想溶液的气液平衡相图
2.图中红色线为气相线t-y（露点线）：它表
示混合液的沸点和平衡液相组成x之间的关系，此曲
线称为饱和液体线。
两组分溶液的气液平衡相图
1、温度-组成图（t-x-y图）
三个区域：
液相区：蓝线以下区域 过热蒸气区：红线以上区域 气液共存区：红线和蓝线包围的区域
两组分溶液的气液平衡相图
1、温度-组成图（t-x-y图）
两相区特点：
1.当两相温度相同时 y > x 2.当组成相同，t露点>t泡点
两组分溶液的气液平衡相图
1、温度-组成图（t-x-y图）
t/C
气相区
TB
露点
在总压一定的条件下，将组成为 xf
露点线
两相区
的溶液加热至该溶液的泡点 TA ，产 生第一个气泡的组成为 yA1，此时液 相组成为XA1。
TA
泡点
化学单元操作
两组分溶液的气液平衡相图
东明县职业中专
两组分溶液的气液平衡相图
1
Contents
温度-组成图（t-相图（y-x图）
两组分溶液的气液平衡相图
双组分理想溶液的气液平衡关系用相图表示比 较直观、清晰，而且影响蒸馏的因素可在相图上直 接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度组成（ t-x-y ）图和气相-液相组成（ x-y ）图。
两组分溶液的气液平衡相图
1、温度-组成图（t-x-y图）
t-x-y 图代表的是在总压 P 一定的条件 下，相平衡时气（液）相组成与温度 的关系。x、y均指易挥发组分的摩尔 分数。
两组分溶液的气液平衡相图
1、温度-组成图（t-x-y图）
两条线：
1.图中蓝色线为液相线t-x（泡点线）：它表
示混合液的沸点和与液相平衡的汽相组成y之间的关 系，此曲线称为饱和蒸气线。
第四章相平衡
3、 自由度数（F） 能够维持系统原有相数而可以独立改变的变量（可是温度、压力 和表示相组成的某些物质的相对含量）的数目。记作F。本质是 确定相平衡系统的状态，所需的最少状态函数的数目。例：H2O 若指定了温度或压力，F* =F－1 若温度和压力同时固定，F** = F－2
物理化学简明教程
二、相律
物种数与组分数的关系
C = S – R –R' R-独立的化学平衡反应数 R′-独立的浓度限制条件数
物理化学简明教程
例4.1: 系统中有PCl5、 PCl3 和Cl2三种物质，且存在如下化学 平衡：PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g)，则该体系的组分数为多少？ 假如开始时只有PCl5存在，则体系的组分数又为多少？
相律是表述平衡体系中相数、组分数、自由度数和影响物质 性质的外界因素(如温度、压力、电场、磁场、重力场等)之间 关系的规律，即
F＝C –P + n n —表示能够影响体系平衡状态的外界因素的个数。一般情况 下只考虑温度和压力这两个因素，式中的n = 2，于是相率为
F＝C –P + 2
相律的推导：
物理化学简明教程
依据：自由度数＝总变量数－非独立变量数
自由度数＝总变量数－方程式数 设一个多相多组分系统中，有 S 种物质（1、2、3…S）分布在
P 个相（α、β、γ…P）中 对于其中任意一相α相，必须知道 Tα、 pα、xα1、…、xαs，才能确定其状态。所以，决定α相状态的变量
共有（S + 2）个。系统中共有P个相，则整个系统的变量数为 P(S + 2) 但这些变量不是完全独立的，相互之间有联系 F = P(S + 2) - 平衡时变量间的关系式数
x)
物理化学简明教程
二、相律
物种数与组分数的关系
C = S – R –R' R-独立的化学平衡反应数 R′-独立的浓度限制条件数
物理化学简明教程
例4.1: 系统中有PCl5、 PCl3 和Cl2三种物质，且存在如下化学 平衡：PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g)，则该体系的组分数为多少？ 假如开始时只有PCl5存在，则体系的组分数又为多少？
相律是表述平衡体系中相数、组分数、自由度数和影响物质 性质的外界因素(如温度、压力、电场、磁场、重力场等)之间 关系的规律，即
F＝C –P + n n —表示能够影响体系平衡状态的外界因素的个数。一般情况 下只考虑温度和压力这两个因素，式中的n = 2，于是相率为
F＝C –P + 2
相律的推导：
物理化学简明教程
依据：自由度数＝总变量数－非独立变量数
自由度数＝总变量数－方程式数 设一个多相多组分系统中，有 S 种物质（1、2、3…S）分布在
P 个相（α、β、γ…P）中 对于其中任意一相α相，必须知道 Tα、 pα、xα1、…、xαs，才能确定其状态。所以，决定α相状态的变量
共有（S + 2）个。系统中共有P个相，则整个系统的变量数为 P(S + 2) 但这些变量不是完全独立的，相互之间有联系 F = P(S + 2) - 平衡时变量间的关系式数
x)
第6章_ 相平衡
、
相平衡热力学性质计算包括两个部分： 1、确定平衡状态； 2、计算互成平衡状态下各个相的性质
6.1 相平衡基础
相平衡准则 非均相封闭系统是由若干个均相敞开系统组成， 当系统未达到平衡状态时，各敞开系统之间进行着 物质和能量的传递；当系统达到相平衡状态时，各 敞开系统间的物质和能量的传递达到了动态平衡， 此时，任何一个相都可以认为是均相封闭系统。
在对混合物相平衡进行计算时，需将混合物的相平 衡准则与反映混合物特征的模型(状态方程+混合规则或 活度系数模型)结合起来。 Gibbs-Duhem方程反映了混合物中各组分的偏摩尔性质 的约束关系，它不仅在检验偏摩尔性质模型时非常有用， ˆ i ，ln i 等，与混合物的相 而且因某些偏摩尔性质，例如 ln 平衡紧密联系，在相平衡数据的检验和推算中也有非常重 要的应用。
6.3 中、低压下的气液平衡
6.3.1 中低压下二元气液平衡相图
混合物的汽液相图中，由于增加了组 成变量，故需要复杂一些。考察系统相 变的过程时，采用相图可直观地表示系 统的温度，压力以及个相组成的关系。 常用的有p-t图，p-x-y图，t-x-y图， y-x图。
P
如图所示，AC1，BC2是纯组分1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P
C2 C L
与2的蒸汽压的曲线C1，C2分别
为纯组分1，2的临界点，环行 曲线MLCWN表示一定组成的二元 混合物的p-t关系。MLC线是泡 点线，NWC是露点线。如果混合
T B M N A
C
C1
Z
W
物的组成改变，环行曲线的位
置，形状将会改变。
T
图6-2a 纯物质的p-t图
b 二元系统的p-t图
可见，单组分与二元系统的p-t图是不同的，差异如下表所示
相平衡热力学性质计算包括两个部分： 1、确定平衡状态； 2、计算互成平衡状态下各个相的性质
6.1 相平衡基础
相平衡准则 非均相封闭系统是由若干个均相敞开系统组成， 当系统未达到平衡状态时，各敞开系统之间进行着 物质和能量的传递；当系统达到相平衡状态时，各 敞开系统间的物质和能量的传递达到了动态平衡， 此时，任何一个相都可以认为是均相封闭系统。
在对混合物相平衡进行计算时，需将混合物的相平 衡准则与反映混合物特征的模型(状态方程+混合规则或 活度系数模型)结合起来。 Gibbs-Duhem方程反映了混合物中各组分的偏摩尔性质 的约束关系，它不仅在检验偏摩尔性质模型时非常有用， ˆ i ，ln i 等，与混合物的相 而且因某些偏摩尔性质，例如 ln 平衡紧密联系，在相平衡数据的检验和推算中也有非常重 要的应用。
6.3 中、低压下的气液平衡
6.3.1 中低压下二元气液平衡相图
混合物的汽液相图中，由于增加了组 成变量，故需要复杂一些。考察系统相 变的过程时，采用相图可直观地表示系 统的温度，压力以及个相组成的关系。 常用的有p-t图，p-x-y图，t-x-y图， y-x图。
P
如图所示，AC1，BC2是纯组分1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P
C2 C L
与2的蒸汽压的曲线C1，C2分别
为纯组分1，2的临界点，环行 曲线MLCWN表示一定组成的二元 混合物的p-t关系。MLC线是泡 点线，NWC是露点线。如果混合
T B M N A
C
C1
Z
W
物的组成改变，环行曲线的位
置，形状将会改变。
T
图6-2a 纯物质的p-t图
b 二元系统的p-t图
可见，单组分与二元系统的p-t图是不同的，差异如下表所示
第六章 相平衡(二)
19
§6-7 二组分固态不互 溶系统液－固平衡相图
20
二组分液态完全互溶而固态完 全不互溶系统液－ 全不互溶系统液－固相图 具有低共熔点的固态不互溶凝聚系统
21
一、相图分析
a、b—纯物质熔点 E—低共熔点 纯物质熔点 低共熔点 aE、bE—溶液凝固点随溶液 aE、bE 溶液凝固点随溶液 组成变化关系；固体A 组成变化关系 ； 固体 A、B 在 溶液中的溶解度随温度的变 S’ 化关系。 化关系。 CED—三相平衡线 CED 三相平衡线 F＝2－3＋1＝0 冷却过程: 冷却过程 c→d B(s) 析出 →e nL/nS=eS’/eL’ →f l→A(s)+B(s) 过f点：液相消失 点
23
24
讨论： 讨论：
由上述冷却曲线可以看到 转折点（ 1）若冷却曲线上出现转折点（即曲线斜率发生改变）， ）若冷却曲线上出现转折点 即曲线斜率发生改变）， 则系统内必发生了相数的改变（有新相生成或旧相消失） 则系统内必发生了相数的改变（有新相生成或旧相消失） 相数的改变 2）若冷却曲线上出现水平线段，则系统的自由度数 若冷却曲线上出现水平线段 水平线段， F=0，若单组分系统是两相共存， 为F=0，若单组分系统是两相共存，二组分系统是三 相共存。 相共存。
30
L1
l+C(s) A(s)+C(s) Q l+B(s) C(s)+B(s)
L2
c’
A
C
xB
点、线、面
H2SO4·4H2O
H2SO4·H2O H2SO4·2H2O
水−硫酸二元系相图
31
二、生成不稳定化合物
d e d e 分解温度— 分解温度 不相合熔点
O1
第五章----- 相平衡
V i
P
0
RT (Vi )dP P
p
L V i ˆV Py x P S S dp i i i i i i ps i RT
S
i 1 , 2K N
Bi ln Pi Ai （Antoine方程） ln S 1 i T Ci RT
PiS
0
nG E RT 对于活度系数法， ln i ni T , P ,n j ni i 模型是关键
逆向 蒸发 3 D
（1）等温逆向冷凝或 逆向蒸发现象 在 CmJMTM区域内， 恒温下，随压力升高，
p
液
Mp
g=min L
Cm
K l=max l=min
2
M l=min 出现液体
g=min g=max J
G
MT 逆向 蒸发 逆向 冷凝
B
BC泡点线
出现液体
液相减少的现象。
（2）等压逆向冷凝或 逆向蒸发现象
dni 0
i i
i i i L L i
5
一、相平衡判据
利用逸度定义式：
ˆ dGi d i RTd ln f i
ˆ f ˆ f ˆ L L f ˆ f i i i i
6
一、相平衡判据
相平衡的判据，较常用的有三个
4）非理想系：汽相非理想溶液，液相理想溶液（LR）
i 1
V S S ˆ pyii pi i xi
如压力较高的烃类物系。 第三类和第四类都是碳氢化合物的混合物所组成的物系， 所不同的是第四类的压力比第三类的高。 29
活度系数法公式的简化
5）完全非理想系：汽液两相均为非理想溶液
P
0
RT (Vi )dP P
p
L V i ˆV Py x P S S dp i i i i i i ps i RT
S
i 1 , 2K N
Bi ln Pi Ai （Antoine方程） ln S 1 i T Ci RT
PiS
0
nG E RT 对于活度系数法， ln i ni T , P ,n j ni i 模型是关键
逆向 蒸发 3 D
（1）等温逆向冷凝或 逆向蒸发现象 在 CmJMTM区域内， 恒温下，随压力升高，
p
液
Mp
g=min L
Cm
K l=max l=min
2
M l=min 出现液体
g=min g=max J
G
MT 逆向 蒸发 逆向 冷凝
B
BC泡点线
出现液体
液相减少的现象。
（2）等压逆向冷凝或 逆向蒸发现象
dni 0
i i
i i i L L i
5
一、相平衡判据
利用逸度定义式：
ˆ dGi d i RTd ln f i
ˆ f ˆ f ˆ L L f ˆ f i i i i
6
一、相平衡判据
相平衡的判据，较常用的有三个
4）非理想系：汽相非理想溶液，液相理想溶液（LR）
i 1
V S S ˆ pyii pi i xi
如压力较高的烃类物系。 第三类和第四类都是碳氢化合物的混合物所组成的物系， 所不同的是第四类的压力比第三类的高。 29
活度系数法公式的简化
5）完全非理想系：汽液两相均为非理想溶液