二组分凝聚系统相图ppt
相、组分数和自由度的概念，相律，典型二组分相图分析，绘制
第五章相平衡教学目的:通过本章的教学使学生掌握相律,学会分析和绘制一些典型的相图。
能熟练地运用克拉贝龙和克劳修斯-克拉贝龙方程式教学要求:1.掌握克拉贝龙方程,克拉贝龙??克劳修斯方程的意义及应用2.明确相、组分数和自由度的概念,掌握相律的意义,熟悉相律在相图中的应用。
3.掌握绘制二组分相图的常用方法,能根据热分析法绘制出步冷曲线进而得出相图。
4.能看懂和分析相图,并能用相律来说明相图中点、线、面的意义及体系在不同情况下的相变过程,掌握杠杆规则的使用5.掌握各种典型二组分相图分析,掌握利用相图在分离、提纯等方面的应用。
6.了解三组分体系的组成表示方法,了解部分互溶的三液体系三组分盐水体系的相图及其应用。
重点和难点:相、组分数和自由度的概念,相律,典型二组分相图分析,绘制二组分相图§5.1 引言同化学研究相关的除化学反应外,还有相平衡问题,因为仅靠化学反应是不能得到最终产品的,反应混合物还要进行分离,必然涉及分离条件问题,如:蒸馏为气-液平衡,结晶为固-液平衡,萃取液-液平衡,均涉及相平衡问题,研究相平衡的工具主要是相图、相律。
一、相图:表示多相体系的状态如何随浓度、温度、压力等条件而改变的图形。
如:T-x图,p-x图,p-T 图, p-T-x 图。
二、相律:反映多相平衡系统中相数,独立组分数和独立变数之间关系的规律。
在这里注意相律均是数量之间的关系,而不能告诉我们具体是什么(只能由实验确定)。
三、相:体系内部物理性质和化学性质完全均匀的部分。
注:(1) 同一相不一定连在一块,连在一起的并不一定是一相。
(2) 相与相之间有明显的界面。
(3) 气体只有一相,液体最多有三相,固体可有无数相。
(4) 没有气相的的体系称为凝聚体系。
四、自由度 f :确定平衡体系的状态所需要的独立强度变量数。
注:(1) 其它各参变量均可由这几个参数求出。
(2) 若第 1 + f 个参量可任意变,则平衡将被破坏。
(3) 在保证不产生新相也不消失旧相的前提下, f 以内的参量可以在一定范围内自由变动。
chapt 5- 汇总(单组份,二组分相图)
§5.5 二组分液体完全互溶的气-液平衡相图 1. 理想溶液的 p-x图
绘制相图——蒸馏法：
（以79.6℃下甲苯和苯二组分 p x 相图为例）
定温下，测定不同比例的 C6H5CH3－C6H6混合物的 蒸气总压p、液相组成yB 及气相组成xB。
平衡相组成 ：
100 p/kPa 80 60 液相线是直线 40
练习:
p / 10 5 Pa A 220 固 e 液 d a 0.00611 C' O B 0.01 374.2 t/℃ 气 c b C
系统点 (强度状态)
f =C－φ＋2
f ′=C－φ＋1
① 定温下，由a点缓慢降压： H2O(l)→液气平衡→H2O(g) f '=1, f '=0, f '=1 ② 定压下，由b点缓慢降温： H2O(g) ， f '=1 →气液平衡, f '=0 →H2O(l) ， f '=1 →液固平衡，f '=0 →H2O(s) ， f '=1
练习：
正常沸点
1. A ，B 二组分在液态完全互溶，已知液体 B 在 80C 下蒸气 压力为 101.325 kPa，气化焓为 30.76 kJ·mol-1。组分 A 的正常沸 点比组分 B 的正常沸点高 10 C。在 101.325kPa 下将 8 mol A 和 2 mol B 混合加热到 60 C 产生第一个气泡，其组成为 yB=0.4，继 续在 101.325 kPa 下恒压封闭加热到 70C，剩下最后一滴液其组 成为 xB=0.1。将 7 mol B 和 3 mol A 气体混合，在 101.325 kPa 下 冷却到 65C 产生第一滴液体，其组成为 xB=0.9，继续定压封闭 冷却到 55C 时剩下最后一个气泡，其组成为 yB=0.6。 （1）画出此二组分系统在 101.325kPa 下的沸点一组成图， 并标出各相区； p=101.325kPa
第4节 两组分固-液系统相图
4、溶解度法
常用于水盐系统相图的测定。
*热分析法测定液-固系统相图
首先将某一定组成二组分固相系统加热熔化，记录冷 却过程中温度随时间的变化曲线，即步冷曲线
当系统有新相凝聚，放出相 变热，步冷曲线的斜率变小
出现转折点
出现水平线段
据此在T-x/(T-w)图上标出对应的 位置，得到二组分低共熔温度-组成图
一 形成简单低共熔混合物的液固系统相图
Cd-Bi二元相图的绘制
t/s
一 形成简单低共熔混合物的液固系统相图
纯Bi的步冷曲线
1. 加热到a点，Bi全部熔化 P = 1 f *= C －P＋1= 1
温度可以下降 2. 冷至A点,固体Bi开始析出
P = 2 f *= C －P＋1= 0 温度不能改变，为Bi熔点 3. 全部变为固体Bi后 P = 1 f *= C －P＋1= 1 温度又可以下降
*相图的实验测定
相图的实验测定常用的方法有：
1、蒸气压（组成）法 测定一定温度下蒸气的压力及各相的组成。这 种方法通常用于气液平衡系统p - x 图的测定。
2、沸点组成法
在一定压力下测定溶液沸腾温度及各相的组成。
在双液系T - x 图的测定中通常使用该法。
3、热分析法
该法的要点是：配制不同组成的一系列样品加热 到熔化温度以上，然后让其缓慢而均匀地冷却， 测定温度随时间的变化，画出温度-时间关系曲线， 称为冷却曲线或步冷曲线(cooling curve)。当系统 内有相变化时步冷曲线上将出现拐点或平台。
一 形成简单低共熔混合物的液固系统相图
图上有4个相区：
1. AEH线之上， 熔液(l)单相区 f *= 2
2. ABE之内， Bi(s)+ l 两相区 f *= 1
物理化学 第六章 相 平 衡 课件
第六章相平衡§6-1 相律1．基本概念(1)相和相数相：系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分称为相，系统中相数目为相数。
相数用“P”表示。
相的确定：气体：无论有多少种物质都为一相液体：根据相互的溶解性可为一相、二相、三相固体：由固体的种类及晶型决定（固熔体除外）（2）自由度和自由度数自由度：能够维系系统原有相数，而可以独立改变的变量叫自由度，这种变量的数目叫做自由度数，用“F”表示。
说明：a)在一定范围内，任意改变F不会使相数改变。
b)自由度数和系统内的物种数和相数有关。
2．相律物种数：系统中所含独立物质的数目，用“S”表示。
依据：自由度数=总变量数-非独立变量数=总变量数-方程式数相律表达式：F = C – P + 2式中C = S –R- R’称组分数R 独立反应的方程式数R’独立限制条件3.几点说明(1) 每一相中均含有S种物质的假设，不论是否符合实际，都不影响相律的形式。
(2) 相律中的2表示整体温度、压强都相同。
(3) F = C – P + 2是通常的形式。
(4) 凝聚相系统的相律是F = C – P + 1§6.2单组分系统相图相图：表示相平衡系统的组成与温度、压力之间的图形。
单组分系统一相：P=1 则F=1-1+2=2（T，P）双变量系统二相：P=2 则F=1-2+2=1（T或P）单变量系统三相：P=3 则F=1-3+2=0 无变量系统1.水的相平衡实验数据由数据可得：（1）水与水蒸气平衡，蒸气压随温度的升高而增大；（2）冰与水蒸气平衡，蒸气压随温度的升高而增大；（3）冰与水平衡，压力增大，冰的熔点降低；（4）在0.01℃和610Pa下，冰、水和水蒸气共存，三相平衡。
2. 水的相图单相区：液态水，水蒸气，冰双相线：OA —液固共存线，冰的熔点曲线OB —气固共存线，冰的饱和蒸气压曲线OC —气液共存线，水的饱和蒸气压曲线三相点：冰、水和水蒸气共存相图的说明(1) 冰在熔化过程中体积缩小，故水的相图中熔点曲线的斜率为负，但大多数物质熔点曲线的斜率为正。
6-4相平衡-二组分理想液态混合物气液平衡相图
p* A3
p* As
p* B3
p* Bs
x B3 1.0
y B 3 1.0
3.绘图： T—XB线(紫）T—YB线(红)
§6-3二组分理想液态混合物气液平衡相图
四、温度——组成图（T—X图）分析 1.相图静分析：坐标、区、线、点 坐标：T，XB（YB） 区: 下线下边(浅蓝色区)
P=1、液相、F=2 上线上边(灰色区)
第六章 相平衡
§6-！本章基本要求 §6-1 相平衡系统基本概念 §6-2 单组分相平衡 §6-3二组分理想液态混合物气液平衡相图 §6-4二组分真实液态混合物液态完全互溶系统气液平衡相图 *§6-5 精镏原理 §6-6二组分液态部分互溶及完全不互溶系统气液平衡相图 §6-7二组分无中间化合物的凝聚系统相图 §6-8二组分有中间化合物的凝聚系统相图 *§6-9三组分系统相图简介 §6-$本章小结与学习指导
（上册）
第六章就先讲到这里 下节课再见！
LM G
§6-3二组分理想液态混合物气液平衡相图
二、压力——组成图（p—x图）分析 2.相图动分析： 压力不变往液体A中
加入B气体 组成不变改变压力
§6-3二组分理想液态混合物气液平衡相图
三、杠杆规则（物料衡算）
对二组分2相系统（如左下图气液2相）：
中间M点称为系统点
L
M点组成XM,B称为系统组成
§6-3二组分理想液态混合物气液平衡相图
前面课程我们讲述了二组份系统的特征 1.描述二组分系统需要的三个独立变量，可以用三维坐标系表
示二组分系统相平衡 。 2.二组分系统若固定一个变量，就可以用二维坐标系表示相平
衡。 3主要讨论：确定温条件下的压力—组成图，确定压条件下的温
cd-bi系相图PPT课件
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（3）区：
a ） A E B 以 上 ： 单 相 区 （ l ） f * = 2 （ T ， X ）
b ） A M E 或 B N E ： 两 相 区 （ B i+ l或 C d + l） f* = 1 （ T 或 X ）
c ） M N C d B i ： 两 相 区
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（4）物系点随T的变化
无机盐或金属相图：ＫCl(A)-ＡgCl(B)， Bi(A)-Cd(B)，Sb(A)-Pb(B)，Si(A)-Al(B)等 系统。
以Bi-Cd二元系为例。
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3
1、作图（热分析法）
热分析法是绘制熔点—组成图的最常 用的实验方法。
原理：
常压Pθ下，将样品加热熔化，再令其 自行冷却，记录不同时间t的温度T的 变化即T-t步冷曲线。
lnXC
dlsH Rm,C -
d(11) T TB
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lnXBilsH Rm,Bi(T1T1A)
b）三相点E的组成和温度
上 两 式 联 立 ， 得 X E ， T E
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例1
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例
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例
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3、应用举例 Ti电解
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现行钛生产工艺： Kroll法
TiO2 + 2Cl2 + C TiCl4 + CO2 TiCl4 + 2Mg 2MgCl2 + Ti
• 800℃~ 900℃ 的密闭钢制容器中TiCl4与 Mg在反应数天
• 反应产物MgCl2电解再生Mg和Cl2，循环 利用
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缺点
• 需要用熔盐电解法制备还原剂Mg、Na • 还原效率低 • 生产是间歇式，不能连续化 • 工艺能耗大，工艺复杂，流程长
某二组分凝聚系统相图如右图(与“系统”有关文档共5张)
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。
第1页，共5页。
分析
本题为二组分凝聚系统中形成不相源自熔点化合物系统 的相图。第2页，共5页。
答案
(1)各区的相态及成分见下表：
第4页，共5页。
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。
第5页，共5页。
相区 1 2 3 4 5
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)
6
s(C) + s(B)
第3页，共5页。
答案
(2) 由 a、b、c、d 各点开始冷却的步冷曲线如下：
(2) 由 a、b、c、d 各点开始冷却的步冷曲线如下： (s掌s掌掌 某s掌sss（s（sss（掌（(掌（掌s（22(((((((((((ACCCAAABAAA))握握握二握111握1握1握1由 )))))))由 ))))） ） ） ） ） ）二 二 二组 二 二 二 二+++++++++++列列列列列列aaslssllss组组组 分组组组组sll(((((、、((((((AAA表表表表表表AACCCCCB分分分 凝分分分分+++++bb))))))说说说说说说BBBBB、、形形形 聚形形形形)))))明明明明明明cc成成成 系成成成成、、各各各各各各不不不 统不不不不dd区区区区区区相相相 相相相相相各各的的的的的的合合合 图合合合合点 点相 相 相 相 相 相熔熔熔如熔熔熔熔开开态态态态态态点点点 右点点点点始始及及及及及及化化化 图化化化化冷冷成成成成成成合合合 。合合合合却却分分分分分分物物物 物物物物的的；；；；；；系系系 系系系系步步统统统 统统统统冷冷的的的 的的的的曲曲相相相 相相相相线线图图图 图图图图如如特特特 特特特特下下征征征 征征征征：：；；； ；；；； (1)各区的相态及成分见下表：
【实用】二组分液态部分互溶系统及完全不互溶系统的气液平衡相PPT文档
完全不互溶系统的气-液平衡相图
• 7.1 部分互溶液体的相互溶解度 （1）液液平衡与共轭溶液 （2）溶解度曲线与会溶点 （3）升温过程分析与杠杆规则应用
共轭溶液：部分互溶系统 中平衡共存的两个液层， 是饱和溶液
溶解度曲线：也是液相线， 从中可以读出平衡共存的 液相组成
点：纯组分熔点（P、Q）
4 完全不互（溶系2统）的气温度相-组组成成图 介于两液相组成之间的温度-组成图
3 部分互溶系统的温度-组成图
1 部分互溶液体的相互溶解度
三相平衡时，两液相组成、
（2）a→e系统冷却过程状态变化分析
3 部分互溶系统的温度-组成图
1 部分互溶液体的相互溶解度
温度不变----水平线
2 共轭溶液的饱和蒸气压
共沸温度：两液相同时沸 腾产生与之相平衡的气相 时的温度
三相线：液、液、气三相 平衡共存线。 问 ：三相线上自由度数是 多少？如何理解？
P=3，F=0 温度不变----水平线 组成不变----三个相点固定
§6.7 二组分液态部分互溶系统及 完全不互溶系统的气-液平衡相图
• 7.1 部分互溶液体的相互溶解度 • 7.2 共轭溶液的饱和蒸气压 • 7.3 部分互溶系统的温度-组成图
§6.8 二组分固态不互溶系统液-固
平衡相图
• 8.1 相图分析 （1）读图 面：单相区（l），F=2
两相区{l+A(s), l+B(s), A(s)+B(s)}
F=1 线：固相线（PA、QB）
液相线（PLQ） 三相线（S1LS2），F=0 点：纯组分熔点（P、Q） 低共熔点（L）---固相A和固相B 能够同时熔化的最低温度 低共熔混合物：图中组成为L的混合物 （2）a→e系统冷却过程状态变化分析
第六章 相平衡(二)
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§6-7 二组分固态不互 溶系统液－固平衡相图
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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
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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
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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。
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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
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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
二元凝聚物系相图
实验四二元凝聚物系相图一、实验目的1、了解热分析的测量技术。
2、掌握热分析法绘制Pb-Sn合金相图的方法。
二、实验原理物质在不同的温度、压力和组成下，可以处于不同的状态。
研究多相平衡体系的状态如何随温度、压力、浓度而变化，并用几何图形表示出来，这种图形称为相图。
二组分体系的相图分为气-液体系和固-液体系两大类，本实验为后者也称凝聚体系，它受压力影响很小，其相图常用温度组成的平面图表示。
热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的常用方法之一。
这种方法是通过观察体系在冷却（或加热）时温度随时间的变化关系，来判断有无相变的发生。
通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定环境中自行冷却；并每隔一定的时间（例如半分钟或一分钟）记录一次温度。
以温度（T）为纵坐标，时间（t）为横坐标，画出步冷曲线T-t图。
图4-1是二组分金属体系的一种常见类型的步冷曲线。
当体系均匀冷却时，如果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化将是均匀的，冷却也较快（如图中ab线段）。
若在冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着热效应，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线就出现转折即拐点（如图中b点所示）。
当熔液继续冷却到某一点时（例如图中c点），由于此时熔液的组成已达到最低共熔混合物的组成，故有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段即平台（如图中cd段）。
当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（见图中de线段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据步冷曲线，判断固体析出时的温度和最低共熔点的温度。
然后用温度作纵坐标，组成作横坐标绘制相图T-C图(见图4－2)。
本实验是利用“热分析法”测定一系列不同组成Pb-Sn混合物的步冷曲线，从而绘制出其二组分体系的金属相图。
由于这两种金属之任何一种都能溶解于另一种金属中，实际上是一个部分互溶的低共熔体系，但用一般的热分析方法，只能得到一相当于简单的低共熔混合物类型的相图。