实验五 二组分凝聚系统相图
二组分凝聚系统相图实验报告
二组分凝聚系统相图化工学院化学工程与工艺一班祁梦园3016207019实验日期2017.9.19一、实验目的（1）掌握热分析法测绘Sn-Pb二组分凝聚系统相图的原理和方法（2）了解简单固液相图的特点，巩固相律等有关知识二、实验原理热分析法是绘制凝聚系统相图的基本方法之一。
其原理是根据系统在加热或冷却过程中发生相变时所对应的温度来确定系统的状态图。
当一个熔融系统均匀冷却时，如无相变化，它的温度将连续均匀的下降，在温度-时间图上将得到一条平滑的曲线。
如在冷却过程中发生了相变了，则令温度下降减缓甚至固新相析出，所放出的热量抵消了散失的热量而令温度不变，于是曲线上就会出现转折点或水平线段，而产生水平或转折的温度就是发生相变的温度。
相变温度一般可以通过测量熔融系统冷却时系统温度随时间变化关系的曲线来找出。
三、仪器和药品仪器：KWL-09可控升降温电炉、SWKY-1型数字控温仪、坩锅钳一把、劳保手套一副、特制合金样品管5只（分别装纯Pb、纯Sn、含Sn30%、61.9%、80%的Sn-Pb混合物各100g，为防金属高温氧化其表面覆盖有一层石墨粉，样品随Pb含量增多依次标号为1~5）药品：Pb(A.R.)、Sn(A.R.)、石墨粉四、实验步骤1、用加热器电源将KWL-09可控升降温电炉与SWKY-1型数字控温仪连接，接通电源。
2、将待测样品管放入可控升降温电炉加热炉孔1内，控温探头I插入加热炉孔旁的插孔2内。
3、设定加热温度：打开数字控温仪开关，按“工作/置数”使控温仪处于置数状态，依次按温度设置键调节加热电炉为比理论转折温度高20~30℃，按时间调节键将时间间隔设置为10s。
4、按“工作/置数”使控温仪置于工作状态。
同时观察两个温度显示，当电炉温度到达设定温度，样品温度显示达到设定温度左右时，迅速将待测样品连同探头II从加热孔夹出，放入冷却炉孔中。
5、数据记录：每隔10s记录一次温度显示屏上的温度。
该样品测试完毕，将样品夹回样品管架中。
某二组分凝聚系统相图如右图汇总
目
某二组分凝聚系统相图 如右图。 （1）列表说明各区的相 态及成分； （2）分别绘出a、b、c、 d各点开始冷却的步冷曲线， 并注明冷却曲线转折处的 相态变化及曲线各段的相 态。
分
析
本题为二组分凝聚Hale Waihona Puke 统中形成不相合熔点化合物 系统的相图。
答案
(1)各区的相态及成分见下表： 相区 1 2 3 4 5 6 相态及成分 l(A+B) s(A) + l(A+B) s(C) + l(A+B) s(B) + l(A+B) s(A) + s(C) s(C) + s(B)
答案
(2) 由 a、b、c、d 各点开始冷却的步冷曲线如下：
相关知识重点简介
掌握二组分形成不相合熔点化合物系统的相图特征； 会绘制步冷曲线，并描述系统状态改变时系统状态的变 化情况。
二组分体系的相图及应用.ppt
•p-x图和T-x图 •理想的完全互溶双液系 •杠杆规则 •蒸馏（或精馏）原 理•非理想的完全互溶双液系 •部分互溶双液系 •不互溶的双液系—蒸气蒸馏 •简单的低共熔混合物 •形成化合物的体系 •完全互溶固溶体 •部分互溶固溶体 •区域熔炼
p-x图 和 T-x图
对于二组分体系，C 2, f 4F 。F 至少为1，则 f 最
沸点高于纯B的沸点，说明蒸馏 时气相中B组分的含量较高，液 相中A组分的含量较高。
一次简单蒸馏，馏出物中 B含量会显著增加，剩余液体 中A组分会增多。
蒸馏（或精馏）原理
如有一组成为x1的A，B二组分溶液，加热到T1时开 始沸腾，与之平衡的气相组为y1，显然含B量显著增加。
将组成为y1的蒸气冷凝， 液相中含B量下降，组成沿 OA线上升，沸点也升至T2， 这时对应的气相组成为y2。
pA*和沸点
T* A
；
同理左边垂直面上是
p* B
和TB*
。
连线
p* A
T* A
和
p* B
T* B
分别代
表了纯A和纯B的蒸气压随温
度的变化曲线。
理想的完全互溶双液系
气-液两相共存的
梭形面沿
p* A
T* A
和
p* B
T* B
两线移动，在空
间画出了一个扁圆柱状
的空间区，这是气-液
两相共存区。
在共存区的上前方 是高温、低压区，所以 是气相区；在共存区的 后下方，是低温、高压 区，是液相区。
计算出对应的气相组成，分 别画出p-x(y)图和T-x(y)图。如图 (b)，(c)所示。
在p-x图上有最低点，在T-x图上就有最高点，这 最高点称为最高恒沸点（maximum azeotropic point）
二组分凝聚系统相图
05
实验技术的发展
实验技术的不断进步为二组分凝聚系统相图的研究提供了更多手段。
高精度实验设备的发展使得实验结果更加准确可靠，有助于揭示相图的细节和规律。
实验技术的改进还涉及到实验条件的优化，如温度、压力等参数的精确控制，以提高实验数据的可靠性。
计算模拟的进步
随着计算机技术的飞速发展，计算模拟已成为研究二组分凝聚系统相图的重要手段。 计算模拟能够模拟实际实验中难以达到的极端条件和复杂体系，提供更全面的相图信息。 计算模拟的进步还体现在模拟算法和模型的改进上，使得模拟结果更加接近真实情况，提高预测的准确性。
引言
主题简介
它通过图形的方式展示了不同温度和压力下，系统中的液态、固态和气态之间的平衡状态，以及各相之间的转化关系。
相图是描述物质状态变化关系的图形，二组分凝聚系统相图是研究由两种凝聚态物质组成的系统的相平衡状态的图形。
研究意义
此外，相图的研究还有助于优化工业生产过程，提高产品质量和降低能耗，对于实现可持续发展具有重要意义。
对未来研究的建议
虽然本研究专注于二组分凝聚系统，但未来的研究可以扩展到多组分系统，以更全面地了解多组分系统的相行为和热力学性质。
探索非理想溶液行为
目前的研究主要集中在理想溶液行为，但实际溶液往往存在相互作用和偏差。未来的研究可以探索非理想溶液行为，以更准确地预测实际系统的相行为。
发展更精确的模分凝聚系统相图
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2023 WORK SUMMARY
目 录s://wenku. CATALOGUE引言 二组分凝聚系统的基本概念 二组分凝聚系统相图的构建方法 二组分凝聚系统相图的应用 二组分凝聚系统相图的发展趋势与展望 结论
理论分析的突破还体现在对现有理论模型的完善和修正，以适应更广泛的应用范围和更复杂的体系。
二组分凝聚系统相图.
T
' c
等压
c'
两相
T/K
453
413
373
Tc
c
0.2 0.4 0.6
单相
0.8 1.0
0
水
质量分数 水-烟碱的溶解度图
烟碱
6.4 二组分凝聚系统相图 一、二组分固态完全不互溶系统液固平衡相图
1. 热分析法
基本原理：二组分系统 C=2，指定压力不变，
f * = C +1 -F =3 -F
F = 1
f f 1 ** f f 2
*
相点 表示某个相状态（如相态、组成、温度等）的 点称为相点。 物系点 相图中表示系统总状态的点称为物系点。在T-x 图上，物系点可以沿着与温度坐标平行的垂线上、 下移动；在水盐相图上，随着含水量的变化，物系 点可沿着与组成坐标平行的直线左右移动。
单相区，物系点与相点重合；两相区中，只有 物系点，它对应的两个相的组成由对应的相点表示
B
3. 全部变为固体Bi后
f * C 1 Φ 1
t /s
温度又可以下降 纯Cd步冷曲线与之相同
Cd-Bi二元相图的绘制
w(Cd) 0.2
的步冷曲线
b
T /K
f* 2
C
D
f * 1
1. 加热到b点,Bi-Cd全部熔化 Φ 1 f * 2 1 Φ 2 温度可以下降,组成也可变 2. 冷至C点,固体Bi开始析出 Φ 2 f * 2 1 Φ 1 温度可以下降 3.D点固体Bi、Cd同时析出
Φ 3
f* 0 温度不能改变 f * 1 4.熔液消失,Bi和Cd共存
f 2 1 Φ 0
*
实验五二组分金属固液相图的绘制
实验五 二组分金属固液相图的绘制一、实验目的1. 掌握步冷曲线法测绘二组分金属的固液平衡相图的原理和方法2. 了解固液相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。
二、实验原理二组分金属相图是表示两种金属混合体系组成与凝固点关系的图。
由于此体系属凝聚体系，一般视为不受压力影响，通常表示为固液平衡时液相组成与温度的关系。
若两种金属在固相完全不溶，在液相可完全互溶，其相图具有比较简单的形式。
步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一，是通过测定不同组成混合体系的冷却曲线来确定凝固点与溶液组成的关系。
通常是将金属混合物或其合金加热全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，根据温度与时间的关系来判断有无相变的发生。
图III-5-1是二元金属体系一种常见的步冷曲线。
tTTTB %图III-5-1 步冷曲线 图III-5-2两组分金属固液相图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）。
当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。
在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。
当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。
若图III-5-1中的步冷曲线为图III-5-2中总组成为P 的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G 点，为纯固相开始析出的状态。
水平段3~4相当于相图中H 点，即低共熔物凝固的过程。
因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷却曲线就可以绘制出完整的二组分固液平衡相图。
三、实验仪器与试剂铂电阻 1支 纯锡（A. R.）金属相图实验炉（JXL —2） 1个 纯铋（A. R.） 微电脑控制器 1个 石墨粉 不锈钢套管 1个 液体石蜡硬质玻璃样品管7个托盘天平1台四、实验步骤1. 配制样品用最小刻度为0.1g的托盘天平分别配制含铋量为10%、25%、57%、70%、90%的铋~锡混合物和纯锡、纯铋各40g，装入7个样品管中。
二组分固液系统
0 -10 冰+溶液 溶液 -20 f=2-2+1=1 -30 H2O 0.2
水-硫酸铵相图 硫酸铵相图
一、简单低共熔相图
2. 溶解度法绘制相图 盐 NaCl NaBr NaI KCl KBr KI (NH4)2SO4 MgSO4 Na2SO4 KNO3 CaCl2 FeCl3 某些盐和水的最低共熔点 最低共熔点 oC -21.1 -28.0 -31.5 -10.7 -12.6 -23.0 -18.3 -3.9 -1.1 -3.0 -55 -55 共熔物组成 wt% 0. 233 0. 403 0.390 0.197 0. 313 0. 523 0. 398 0. 165 0. 0348 0. 112 0. 299 0.331
一、简单低共熔相图
2. 溶解度法绘制相图 100 80 60 40 20 溶液 φ =1 f=2-1+1=2 水的冰点线 盐的溶解度曲线 (NH4)2SO4 +溶液 φ =2 溶液 f=2-2+1=1 f=2-3+1=0 E Ice+ (NH4)2SO4 0.4 0.6 w (NH 4 ) 2 SO 4 0.8 (NH4)2SO4
1. 生成稳定化合物
40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 H2 O 0.2 冰+溶液 f=2-2+1=1 =2E1 BW6+l -36oC 25.8oC BW6+液 溶液 φ =1 f=2-1+1=2 =235.5oC BW3+ 液 23.5oC BW3+溶 液 ,φ =2, f=2=22+1=1
二组分固-液系统相图 第五节 二组分固 液系统相图
二组分固-液系统 二组分固 液系统
二组分体系相图及其应用.ppt
要完全描述二组分体系，就必须用三维坐标 ( T, p , xB )
描述二组分体系时通常固定一个变量,做成平面相图
T = 常数 P - x 图 (蒸汽压- 组成图) 较常用
P = 常数 T - x 图 (沸点 - 组成图)
常用
xB = 常数 T - p 图
不常用
条件自由度: f C 1 3
这样，将A 与B粗略分开。 一次简单蒸馏， 馏出物中B含量 会显著增加， 剩余液体中A组 分会增多。
精馏
精馏是多次简单蒸馏的组合。
精馏塔底部是加热区， 温度最高；
塔顶温度最低。
精馏结果，塔顶冷凝 收集的是纯低沸点组分， 纯高沸点组分则留在塔底。
精馏塔有多种类型，如图所示是泡罩式塔板状 精馏塔的示意图。
（一）理想的二组分液态混合物
指两个纯液体可按任意比例互溶，并每个组分 全部浓度范围内都服从拉乌尔定律，及为理想的完 全互溶双液系，或称为理想的液体混合物，如苯和 甲苯，正己烷与正庚烷等结构相似的化合物可形成 这种双液系。
(1) p-x图
设 pA*和 pB*分别为液体A和B在指定温度时的饱和蒸 气压，p为体系的总蒸气压
T-x图在讨论蒸馏时十分有用，因为蒸馏通常 在等压下进行。T-x图可以从实验数据直接绘制。 也可以从已知的p-x图求得。
等温 P
P
x1
x2
x3
x4
B
xA
A
将组成与沸点的 P 等温
关系标在下一张以温
度和组成为坐标的图 P
上，就得到了T-x图。
x1
将x1 ，x2，x3和x4 的对应温度 连成曲线
§5-3 二组分体系相图及其应用
对于二组分体系 C 2
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南昌大学物理化学实验报告
学生姓名：李江生学号：5802216018
专业班级：安全工程161班实验日期：2018-04-17
实验五二组分凝聚系统相图
一、实验目的
(1)掌握热分析法(步冷曲线法)测绘Bi-Sn二组分凝聚系统相图的原理和方法。
(2)了解简单固液相图的特点、步冷曲线及相图中各曲线代表的物理意义巩固相律等有关知识。
二、实验原理
压力对凝聚系统影响很小，因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响，故根据相律，二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量，其相图为温度-组成图。
热分析法：其原理是将系统加热融化，然后使其缓慢而均匀地冷却，每隔一定时间记录一次温度，绘制温度与时间的关系曲线——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。
由于冷却过程中常常发生过冷现象，其步冷曲线常如上图中虚线所示，由横轴表示混合物的组成，纵轴表示温度，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，就可以绘出相图，如下图：
简单低共熔混合物二组分系统步冷曲线及相图
三、仪器与药品
步冷曲线测定装置1套（可控升降温电炉1台,数字控温仪1台,控温探头I,测温探头Ⅱ)，不锈钢试样管5只,坩埚钳1把,劳保手套1副，Sn、Bi及其合金。
四、实验步骤
1、将数字控温仪温度Ⅰ设定为320℃,按“工作/置数”按钮,切换到工作状态。
传感器Ⅰ插入加热炉Ⅰ样品管口内;传感器Ⅱ插入加热炉Ⅱ样品管口内；加热到320℃；
2、将“冷风量调节”旋钮逆时针旋到底,加热使温度降为250℃左右后;
3、适当调节“冷风量调节”旋钮,使温度降温绘制步冷曲线,降温速率控制为6-8℃/min,以便找到曲线拐点；
4、打开金属相图软件,设置绘步冷曲线图坐标;
5、实验结束后,关闭仪器电源,将实验桌面整理干净。
五、数据记录与处理
由以上数据作图得：
六、思考题
(1)为什么试样在加热时温度不可过高或过低?
答：过高，容易烧坏，且样可能氧化变质；过低，不能融化样品。
(2)不同组成的混合物其低共熔点是否一致?纯物质及低共熔点组成系统的步冷曲线和其余混合组成的步冷曲线有何显著不同？
答：不一致。
纯物质及低共熔点组成系统的步冷曲线拐点只有一个温度，其余混合组成的步冷曲线有两个。
(3)步冷曲线各段的斜率及水平段的长短与哪些因素有关?
答：与体系温度，热熔、热导率以及冷风量的大小等因素有关。