第六章相平衡物理化学PPT讲稿.ppt

第六章相平衡物理化学第六章相平衡物理化学课件件第1页，共61页，编辑于2022年，星期三教学重点及难点教学重点及难点教学重点教学重点 1.了解相律的推导（考核概率了解相律的推导（考核概率1%），理解相、自由度、组分数、物种数、相平衡的概），理解相、自由度、组分数、物种数、相平衡的概念，掌握相律及其应用（考核概率念，掌握相律及其应用（考核概率80%）2.理解过冷水、亚稳平衡、三相点、系统点的概念，掌握水的相图（考核概率理解过冷水、亚稳平衡、三相点、系统点的概念，掌握水的相图（考核概率20%）理解液）理解液相线、气相线、相点、泡点、露点的概念（考核概率相线、气相线、相点、泡点、露点的概念（考核概率30%），掌握二组分理想液态混合物的），掌握二组分理想液态混合物的气气-液平衡相图（考核概率液平衡相图（考核概率80%）3.理解一般正偏差、一般负偏差、最大正偏差、最大负偏差、恒沸点、恒沸混合物的概理解一般正偏差、一般负偏差、最大正偏差、最大负偏差、恒沸点、恒沸混合物的概念，掌握非理想完全互溶双液系蒸气压念，掌握非理想完全互溶双液系蒸气压组成图和沸点组成图，理解部分互溶双液系组成图和沸点组成图，理解部分互溶双液系和完全不互溶双液系中共轭溶液、临界会溶点，理解液体的相互溶解度、共轭溶液的饱和完全不互溶双液系中共轭溶液、临界会溶点，理解液体的相互溶解度、共轭溶液的饱和蒸汽压（考核概率和蒸汽压（考核概率50%）4.了解绘制相图的溶解度法、了解转熔温度（考核概率了解绘制相图的溶解度法、了解转熔温度（考核概率1%），理解低共熔点、低共熔混合物、步），理解低共熔点、低共熔混合物、步冷曲线的概念，掌握热分析法，理解固态完全互溶系统和固态部分互溶系统相图，（考核概率冷曲线的概念，掌握热分析法，理解固态完全互溶系统和固态部分互溶系统相图，（考核概率1%），掌握生成化合物的二组分凝聚系统相图（考核概率），掌握生成化合物的二组分凝聚系统相图（考核概率60%）教学难点教学难点 1.部分互溶双液系和完全不互溶双液系中共轭溶液，临界会溶点，液体的相互溶解度，共轭溶液的部分互溶双液系和完全不互溶双液系中共轭溶液，临界会溶点，液体的相互溶解度，共轭溶液的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压。第2页，共61页，编辑于2022年，星期三引言引言第3页，共61页，编辑于2022年，星期三第4页，共61页，编辑于2022年，星期三2 2、自由度数、自由度数:F:F 确定平衡体系的状态所必须的独立变量的数目确定平衡体系的状态所必须的独立变量的数目-F-F6.1相律相律1、物种数与组分数、物种数与组分数（1）物种数）物种数S（化学物质数）：系统中的物质数化学物质数）：系统中的物质数S S：物种数物种数 R R：独立的化学平衡数独立的化学平衡数RR独立限制条件数独立限制条件数说明：说明：独立限制条件数独立限制条件数:只有在同一相中才能起作用只有在同一相中才能起作用,否则否则R=0。CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）R=0独立的化学平衡数：指物质间构成的化学平衡是相互独立的。独立的化学平衡数：指物质间构成的化学平衡是相互独立的。C+H2O=CO+H2C+CO2=2COCO+H2O=CO2+H2R=2S=5C=5-2=3（2）组分数）组分数C 在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种数称为（独立）组分数。数称为（独立）组分数。第5页，共61页，编辑于2022年，星期三3 3、相律的推导、相律的推导相律：只受温度和压力影响的平衡系统的自由度数，等于系统的组分数相律：只受温度和压力影响的平衡系统的自由度数，等于系统的组分数 减去相数再加上二。相律表达式：减去相数再加上二。相律表达式：4、几点说明、几点说明相律只适用平衡系统相律只适用平衡系统当考虑其它因素（如电场、磁场、重力场等因素）对系统相平衡的影响当考虑其它因素（如电场、磁场、重力场等因素）对系统相平衡的影响时，则相律为时，则相律为F=CP+n只由液相和固相形成的凝聚系统，忽略压力的影响，相律为只由液相和固相形成的凝聚系统，忽略压力的影响，相律为F=CP+1相律相律F=CP2中的中的“2”表表示示系统整体的温度、压力皆相同系统整体的温度、压力皆相同只考虑温度、压力对系统相平衡的影响只考虑温度、压力对系统相平衡的影响第6页，共61页，编辑于2022年，星期三 6.2单组分系统相图单组分系统相图 对于单组分系统：对于单组分系统：C=1，据相律据相律FCP十十23一一P一般情况下一般情况下F=0（最小），最小），P=3相（最大）相（最大）单组分系统最多三相共存单组分系统最多三相共存一般情况下一般情况下P=1（最小）最小）F=2即单组分系统是双变量系统，即温度和压力即单组分系统是双变量系统，即温度和压力1、水相平衡实验数据、水相平衡实验数据第7页，共61页，编辑于2022年，星期三从表中的实验数据可以看出：从表中的实验数据可以看出：水与水蒸气平衡，蒸气压力随温度升高而增大；水与水蒸气平衡，蒸气压力随温度升高而增大；冰与水蒸气平衡，蒸气压力随温度升高而增大；冰与水蒸气平衡，蒸气压力随温度升高而增大；冰与水平衡，压力增加，冰的熔点降低；冰与水平衡，压力增加，冰的熔点降低；在在0.01和和610Pa下，冰、水和水蒸气同时共存，呈三相平衡状态。下，冰、水和水蒸气同时共存，呈三相平衡状态。2、水的相图、水的相图第8页，共61页，编辑于2022年，星期三面（三个单相区）面（三个单相区）在气、液、固三个单相区内，温度和压力独立地在气、液、固三个单相区内，温度和压力独立地有限度地变化不会引起相的改变。有限度地变化不会引起相的改变。线（三条两相平衡线线（三条两相平衡线 ）压力与温度只能改变一个，指定了压力，则压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由体系自定。温度由体系自定。P=1F=11+2=2P=2F=21+2=1OA OA 是气是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于临界液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于临界点。临界点点。临界点T=647KT=647K，p=2.2p=2.210107 7PaPa，这时气这时气-液界面消失。高于临界温度，不能用液界面消失。高于临界温度，不能用加压的方法使气体液化。加压的方法使气体液化。OB OB 是气是气-固两相平衡线，即冰的升华曲线，理论上可延长至固两相平衡线，即冰的升华曲线，理论上可延长至0 0 K K附近。附近。OC OC 是液是液-固两相平衡线，固两相平衡线，即冰的熔点曲线即冰的熔点曲线,当当C C点延长至压力大于点延长至压力大于2108Pa时，相图时，相图变得复杂，有不同结构的冰生成。变得复杂，有不同结构的冰生成。点点 O O点是三相点气点是三相点气-液液-固三相共存，三相点的温度和压力皆由体系自定固三相共存，三相点的温度和压力皆由体系自定 P=3F=31+2=0H2O的三相点温度为的三相点温度为273.16K，压力为压力为610.62Pa。2、水的相图、水的相图第9页，共61页，编辑于2022年，星期三第10页，共61页，编辑于2022年，星期三三相点与冰点的区别三相点与冰点的区别冰点温度比三相点温度低冰点温度比三相点温度低0.010.01K K，是由两种因素造成的：是由两种因素造成的：（1 1）因外压增加，使凝固点下降）因外压增加，使凝固点下降 0.00748 0.00748K K（2 2）因水中溶有空气，使凝固点下降）因水中溶有空气，使凝固点下降 0.00241 0.00241K K第11页，共61页，编辑于2022年，星期三解解：（1）根根据据相相图图，当当温温度度为为25液液一一气气平平衡衡时时，压压力力应应为为67大大气气压压，在在25时时最最小小需要需要67大气压才能使大气压才能使CO2液化。液化。（2）CO2的的三三相相点点压压力力为为5.11大大气气压压，当当外外压压小小于于5.11大大气气压压时时液液相相就就不不能能稳稳定定存存在在。当当打打开开阀阀门门时时，由由于于压压力力迅迅速速降降到到及及大大气气压压，液液相相不不能能稳稳定定存存在在，大大量量气气化化需需吸吸收收热热量量，使使周周围围温温度度迅迅速速降降低低，在在相相图图上上该该系系统统有有可可能能进进入入固固相相区区，而而出出现现固固体体CO2，即即干冰干冰。例：如图为例：如图为CO2的相图，试问：的相图，试问：（1）将）将CO2在在25液化，最小需加多大压力？液化，最小需加多大压力？（2）打开）打开CO2灭火机阀门时，为什么会出现少量白色固体（俗称干冰）？灭火机阀门时，为什么会出现少量白色固体（俗称干冰）？固固液液临界点临界点气气第12页，共61页，编辑于2022年，星期三对于二组分体系，对于二组分体系，C=2F=2P+2=4P P P至少为至少为1 1，则，则 F F 最多为最多为3 3。这三个变量通常是这三个变量通常是T T，p p 和组成和组成 x x。要表示二组分体系状态图，需用三个坐标要表示二组分体系状态图，需用三个坐标的立体图表示。的立体图表示。保持一个变量为常量，从立体图上得到平面截面图。保持一个变量为常量，从立体图上得到平面截面图。保持温度不变，得保持温度不变，得 p-x p-x 图图 较常用较常用 保持压力不变，得保持压力不变，得 T-x T-x 图图 常用常用 保持组成不变，得保持组成不变，得 T-p T-p 图图 不常用。不常用。6.6.3 3 二组分二组分理想液态混合物的气理想液态混合物的气-液平衡相图液平衡相图完全互溶双液系统完全互溶双液系统部分互溶双液系统部分互溶双液系统不互溶双液系统不互溶双液系统双液系统双液系统简单的低共熔混合物系统简单的低共熔混合物系统形成化合物系统形成化合物系统固相完全互溶系统固相完全互溶系统固相部分互溶系统固相部分互溶系统固液系统固液系统固气系统固气系统二组分系统二组分系统第13页，共61页，编辑于2022年，星期三第14页，共61页，编辑于2022年，星期三第15页，共61页，编辑于2022年，星期三第16页，共61页，编辑于2022年，星期三第17页，共61页，编辑于2022年，星期三2.杠杆规则（杠杆规则（Lever rule）第18页，共61页，编辑于2022年，星期三第19页，共61页，编辑于2022年，星期三例：下图为例：下图为AB二组分气液平衡的压力一组成图。假定溶液的浓度为二组分气液平衡的压力一组成图。假定溶液的浓度为XB=0.4，试根据相图计算：试根据相图计算：第20页，共61页，编辑于2022年，星期三65二组分真实液态混合物的气一液平衡相图二组分真实液态混合物的气一液平衡相图1蒸气压蒸气压-液相组成图液相组成图具有一般正偏差的系统：蒸气总压对理想情况为正偏差，但在全部组成范围内，混合物的蒸气总压具有一般正偏差的系统：蒸气总压对理想情况为正偏差，但在全部组成范围内，混合物的蒸气总压均介于两个纯组分的饱和蒸气压之间。均介于两个纯组分的饱和蒸气压之间。具有一般负偏差的系统：蒸气总压对理想情况为负偏差，但在全部组成范围内，混合物的蒸气总压均介具有一般负偏差的系统：蒸气总压对理想情况为负偏差，但在全部组成范围内，混合物的蒸气总压均介于两个纯组分的饱和蒸气压之间。于两个纯组分的饱和蒸气压之间。第21页，共61页，编辑于2022年，星期三具有最大正偏差的系统：蒸气总压对理想情况为正偏差，但在某一组成范围内，混合物的蒸气具有最大正偏差的系统：蒸气总压对理想情况为正偏差，但在某一组成范围内，混合物的蒸气总压比易挥发组分的饱和蒸气压还大，因而蒸气总压出现最大值。总压比易挥发组分的饱和蒸气压还大，因而蒸气总压出现最大值。具有最大负偏差的系统：蒸气总压对理想情况为负偏差，但在某一组成范围内，混合物的具有最大负偏差的系统：蒸气总压对理想情况为负偏差，但在某一组成范围内，混合物的蒸气总压比不易挥发组分的饱和蒸气还小，因而蒸气总压出现最小值。蒸气总压比不易挥发组分的饱和蒸气还小，因而蒸气总压出现最小值。第22页，共61页，编辑于2022年，星期三产生正、负偏差的原因产生正、负偏差的原因:形成混合物后，某组分发生解离。形成混合物后，某组分发生解离。某某组组分分单单独独存存在在时时为为缔缔合合分分子子，在在形形成成溶溶液液后后发发生生离离解解或或缔缔合合度度变变小小，使其中该组分的分子数目增加，蒸气压增大，产生正偏差。使其中该组分的分子数目增加，蒸气压增大，产生正偏差。形成混合物后，组分间发生缔合。形成混合物后，组分间发生缔合。各各组组分分单单独独存存在在时时均均为为单单个个分分子子，形形成成液液态态混混合合物物后后发发生生分分子子间间缔缔合合或或产产生生氢氢键键，使使两组分的分子数目都减少，蒸气压均减少，产生负偏差。两组分的分子数目都减少，蒸气压均减少，产生负偏差。形成混合物后，分子间引力发生变化。形成混合物后，分子间引力发生变化。若若BA间引力小于间引力小于AA间的引力，当间的引力，当A与与B形成液态混合物后，就会减少形成液态混合物后，就会减少A分子所受到的引力，分子所受到的引力，A变得容易逸出出，变得容易逸出出，A组分的蒸气分压产生正偏差。相反，组分的蒸气分压产生正偏差。相反，若若BA间引力大于间引力大于AA间的引力，则形成溶液后，间的引力，则形成溶液后，A组分的蒸气分压会产生组分的蒸气分压会产生负偏差负偏差.第23页，共61页，编辑于2022年，星期三2压力压力-组成图组成图1一般正偏差和一般负偏差一般正偏差和一般负偏差在一定温度下的压力在一定温度下的压力组成图与理想系统的相似。主要的差别是液相线不是直线，而组成图与理想系统的相似。主要的差别是液相线不是直线，而是略向上凸和下凹的曲线。是略向上凸和下凹的曲线。一般负偏差一般负偏差一般正偏差一般正偏差理想系统理想系统第24页，共61页，编辑于2022年，星期三v此类系统的液相线和气相线在此类系统的液相线和气相线在最高点处相切。最高点处相切。v在最高点左侧，易挥发组分在在最高点左侧，易挥发组分在气相中的含量大于它在液相中气相中的含量大于它在液相中的含量。的含量。v在右侧，易挥发组分在气相中在右侧，易挥发组分在气相中的含量却小于它在液相中的含的含量却小于它在液相中的含量。量。2最大正偏差（甲醇最大正偏差（甲醇-氯仿系统）氯仿系统）第25页，共61页，编辑于2022年，星期三v这类系统，液相线和气相线在最这类系统，液相线和气相线在最低点处相切。低点处相切。v氯仿一丙酮系统中氯仿是不易挥发氯仿一丙酮系统中氯仿是不易挥发的，丙酮是易挥发的。的，丙酮是易挥发的。v最低点右侧，两相平衡时易挥发最低点右侧，两相平衡时易挥发组分在气相中的含量大于它在液组分在气相中的含量大于它在液相中的含量；相中的含量；v在左侧，易挥发组分在气相中的在左侧，易挥发组分在气相中的含量却小于它在液相中的含量。含量却小于它在液相中的含量。3最大负偏差（氯仿最大负偏差（氯仿-丙酮系统）丙酮系统）第26页，共61页，编辑于2022年，星期三理想系统理想系统一般正偏差一般正偏差一般负偏差一般负偏差3温度一组成图温度一组成图在恒定压力下，实验测定一系列不同组成液体的沸腾温度及平衡时气、液两在恒定压力下，实验测定一系列不同组成液体的沸腾温度及平衡时气、液两相的组成，即可作出该压力下的温度一组成图相的组成，即可作出该压力下的温度一组成图。1一般正偏差和一般负偏差系统的温度一组成图与理想系统的类似。一般正偏差和一般负偏差系统的温度一组成图与理想系统的类似。第27页，共61页，编辑于2022年，星期三温度温度-组成图上出现最低点，组成图上出现最低点，此时气相线和液相线相切。此时气相线和液相线相切。此点，沸腾时产生的气相此点，沸腾时产生的气相与液相组成相同，沸腾时温与液相组成相同，沸腾时温度恒定。度恒定。此点温度是液态混合物沸此点温度是液态混合物沸腾的最低温度，故称之为最腾的最低温度，故称之为最低恒沸点低恒沸点,该组成的混合物称该组成的混合物称为恒沸混合物。为恒沸混合物。22最大正偏差系统最大正偏差系统第28页，共61页，编辑于2022年，星期三温度温度-组成图上出现最高点。组成图上出现最高点。该点所对应的温度称为最高恒沸点该点所对应的温度称为最高恒沸点具有该点组成的混合物亦称为恒沸具有该点组成的混合物亦称为恒沸混合物。混合物。恒沸混合物的组成取决于压力，恒沸混合物的组成取决于压力，压力改变，恒沸混合物的组成改变，压力改变，恒沸混合物的组成改变，甚至恒沸点可以消失。甚至恒沸点可以消失。说明恒沸混合物不是一种化合物。说明恒沸混合物不是一种化合物。33最大负偏差系统最大负偏差系统第29页，共61页，编辑于2022年，星期三理想系统理想系统一般正偏差一般正偏差一般负偏差一般负偏差最大正偏差最大正偏差最大负偏差最大负偏差4、小结、小结第30页，共61页，编辑于2022年，星期三解解：（1）E点点对对应应的的温温度度tE称称为为恒恒沸沸温温度度，此点对应的气、液组成相等。此点对应的气、液组成相等。（2）曲曲线线1表表示示在在指指定定压压力力下下，蒸蒸气气的的组组成成与与露露点点的的关关系系，故故称称露露点点线线或或气气相相线线。曲曲线线4表表示示溶溶液液组成与泡点的关系，故称泡点线或液相线。组成与泡点的关系，故称泡点线或液相线。（3）系系统统的的总总组组成成如如在在0 xB，E范范围围内内，B组组分分在气相中的含量大于它在平衡液相中的含量。在气相中的含量大于它在平衡液相中的含量。（4）在一定温度下，在）在一定温度下，在A、B系统的蒸气压系统的蒸气压一组成图上必然会出现最高点。一组成图上必然会出现最高点。例：例：A和和B两种纯物质在两种纯物质在101.325kPa下的沸点组成图如图下的沸点组成图如图:（l）图中图中E点对应的温度点对应的温度tE称为什么温度，此点对应的气、液组成有何关系？称为什么温度，此点对应的气、液组成有何关系？（2）曲线）曲线1和曲线和曲线4各称为什么线？各称为什么线？（3）总总组组成成在在0XB，E范范围围内内，B组组分分在在气气相相中中含含量量与与在在平平衡衡液液中中的的含含量量有有何何关关系系？（4）在一定温度下，在）在一定温度下，在A、B系统的蒸气压一组成图上必然会系统的蒸气压一组成图上必然会出现什么情况？出现什么情况？第31页，共61页，编辑于2022年，星期三1 1、简单蒸馏、简单蒸馏利用恒压下气液相平衡时气相组成和液相组成不同的特点，使液体混合物组利用恒压下气液相平衡时气相组成和液相组成不同的特点，使液体混合物组分分离的过程称为蒸馏分分离的过程称为蒸馏 6.6.5 5 精馏原理精馏原理将原始组成为将原始组成为x的溶液加热到沸腾的溶液加热到沸腾温度温度T4时，此时系统点到达时，此时系统点到达0气相组成气相组成为为y4，液相组成为液相组成为x4。此时若将气液相分开，气相冷此时若将气液相分开，气相冷凝液中凝液中B组分的含量比原始溶液中组分的含量比原始溶液中B组组分含量多，蒸馏瓶中所剩的溶液内分含量多，蒸馏瓶中所剩的溶液内B组组分的含量比原始溶液少此种粗略的分离过分的含量比原始溶液少此种粗略的分离过程叫简单蒸馏程叫简单蒸馏 简单蒸馏只能把双液系中的简单蒸馏只能把双液系中的A A和和B B粗略分开粗略分开.若是将多次简单蒸馏组合起来同时若是将多次简单蒸馏组合起来同时进行就称作精馏。进行就称作精馏。第32页，共61页，编辑于2022年，星期三2、精馏、精馏若是将第一次分离剩下的液相若是将第一次分离剩下的液相x4，再进行部分气化到温度再进行部分气化到温度T5，则得则得液相液相x5和气相和气相y5，然后再将液相然后再将液相x5进行部分气化进行部分气化到温度到温度T6，分出气相分出气相y6再将再将x6进行部分气化，如此继进行部分气化，如此继续，直到最终从液相得到纯组分续，直到最终从液相得到纯组分A。所以，精馏就是多次同时进行所以，精馏就是多次同时进行部分气化和部分冷凝而使溶液得到部分气化和部分冷凝而使溶液得到分离的过程。分离的过程。当系统温度达当系统温度达T4时将气相时将气相y4分出并冷却到分出并冷却到T3，气相部分冷凝为液体气相部分冷凝为液体x3和气体和气体y3，然后又将然后又将y3气相分出进行部分冷凝到温度气相分出进行部分冷凝到温度T2，又生成新液相又生成新液相x2和新气相和新气相y2，如此不断如此不断收集气相并不断进行部分冷凝，这样最终可在气相中收集到纯组分收集气相并不断进行部分冷凝，这样最终可在气相中收集到纯组分B。第33页，共61页，编辑于2022年，星期三 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。收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。第34页，共61页，编辑于2022年，星期三6.7两组分固液不互溶系统液两组分固液不互溶系统液固平衡相图固平衡相图1、热分析法及相图分析、热分析法及相图分析基本原理：基本原理：当体系缓慢而均匀地冷却当体系缓慢而均匀地冷却(或加热或加热)时，如时，如果体系中不发生相变化，则体系温度随时间的果体系中不发生相变化，则体系温度随时间的变化是均匀的。变化是均匀的。Tt无相变无相变Tt有相变有相变当体系内有相变化发生时，由于在相变当体系内有相变化发生时，由于在相变化的同时总伴随有相变热的出现，体系温化的同时总伴随有相变热的出现，体系温度随时间变化的速率亦将发生变化，出现度随时间变化的速率亦将发生变化，出现转折点或水平线段。转折点或水平线段。这种温度这种温度-时间曲线称为时间曲线称为“步冷曲线步冷曲线”，用此曲线研究固，用此曲线研究固-液相平衡的方法称为热液相平衡的方法称为热分析法分析法。第35页，共61页，编辑于2022年，星期三第36页，共61页，编辑于2022年，星期三2溶解度法及相图分析溶解度法及相图分析1溶解度法（用溶解度数据绘制相图的方法）溶解度法（用溶解度数据绘制相图的方法）H2O(A)-(NH4)2SO4(B)二组分体系的固液相图，是根据不同温度下二组分体系的固液相图，是根据不同温度下(NH4)2SO4饱和水饱和水溶液的浓度及相应的固相组成的实验数据绘制而成的。溶液的浓度及相应的固相组成的实验数据绘制而成的。(NH4)2SO4(B)(B)%H2O(A)第37页，共61页，编辑于2022年，星期三(NH4)2SO4(B)(B)%H2O(A)E点：冰、点：冰、(NH4)2SO4(s)和溶液三相平衡点，和溶液三相平衡点，F=2-3+1=0E点的温度：纯冰和纯的固体点的温度：纯冰和纯的固体(NH4)2SO4、溶液所能存在的最低温度，溶液所能存在的最低温度，亦是冰和亦是冰和(NH4)2SO4(s)能够共同熔化的温度，能够共同熔化的温度，E点称为点称为“最低共熔点最低共熔点”，析出的固体称为，析出的固体称为“最低共熔混合物最低共熔混合物”。EM和和EN曲线以上：单相溶液区曲线以上：单相溶液区F=CP+1=2-1+1=2CME区区:冰和溶液的两相平衡冰和溶液的两相平衡NED区区:溶液和固体溶液和固体(NH4)2SO4两相平衡两相平衡CED下为固相区：下为固相区：(NH4)2SO4(s)和和H2O(s)两相平衡两相平衡F=2-2+1=1EM线：冰和溶液呈平衡曲线线：冰和溶液呈平衡曲线EN线：线：(NH4)2SO4在水中溶解度曲线在水中溶解度曲线F=22+1=1CED线：冰、线：冰、(NH4)2SO4(s)和溶液三相平衡线和溶液三相平衡线F=23+1=0面面线线点点第38页，共61页，编辑于2022年，星期三由图可知：由图可知：组成在组成在E E点以左的溶液冷却时，首先析点以左的溶液冷却时，首先析出的固体是冰。出的固体是冰。EMEM线是水的冰点线线是水的冰点线。组成在组成在E E点之右的溶液冷却时，首先析点之右的溶液冷却时，首先析出的固体是出的固体是(NHNH4 4)2 2SOSO4 4，这时的溶液就是这时的溶液就是盐的饱和溶液盐的饱和溶液。ENEN线一般称为线一般称为(NHNH4 4)2 2SOSO4 4在水中的溶在水中的溶解度曲线。解度曲线。(NH4)2SO4(B)(B)%H2O(A)从这两条曲线的斜率可以看出，水的冰点随从这两条曲线的斜率可以看出，水的冰点随(NH4)2SO4浓度的增加而下降，浓度的增加而下降，(NH4)2SO4的溶解度则随温度的升高而增大。一般说来，由于盐的熔点很高，的溶解度则随温度的升高而增大。一般说来，由于盐的熔点很高，超过了饱和溶液的沸点，所以超过了饱和溶液的沸点，所以EN曲线不能延长到曲线不能延长到(NH4)2SO4的熔点。的熔点。2、相图分析、相图分析第39页，共61页，编辑于2022年，星期三在用结晶法提纯盐类时，相图对生产有指导意义。在用结晶法提纯盐类时，相图对生产有指导意义。如何从浓度为如何从浓度为20(NH4)2SO4的溶液的溶液(图中图中O点点)中提取纯的中提取纯的(NH4)2SO4固体？固体？因为冷却过程中先析出的是冰，而冷却到因为冷却过程中先析出的是冰，而冷却到254.9K时，冰又与时，冰又与(NH4)2SO4同时析出，并形成同时析出，并形成低共熔混合物。低共熔混合物。(NH4)2SO4(B)(B)%H2O(A)若在若在353K时，将浓度为时，将浓度为20的的(NH4)2SO4溶液恒温蒸发，使物系点由溶液恒温蒸发，使物系点由O点移至点移至p点，到点，到p点时，如果将此浓度的溶液冷却，当温度下降至点时，如果将此浓度的溶液冷却，当温度下降至R点时，有较多的点时，有较多的(NH4)2SO4(s)析出，冷却温度愈接近低共熔点的温度，固体的析出量愈多，但在实际析出，冷却温度愈接近低共熔点的温度，固体的析出量愈多，但在实际生产中为了避免生成低共熔物，冷却温度应高于低共熔点的温度。生产中为了避免生成低共熔物，冷却温度应高于低共熔点的温度。实际应用：实际应用：按照最低共熔点的组成来配制冰和盐的量，可以获得较低的冷冻温度。在化工生按照最低共熔点的组成来配制冰和盐的量，可以获得较低的冷冻温度。在化工生产中，经常用盐水溶液作为冷冻的循环液。产中，经常用盐水溶液作为冷冻的循环液。H20-NaCl(低共熔点为低共熔点为252.1K)、H20-CaCl2(低共熔点为低共熔点为218.2K)、H20-NH4Cl(低共熔点为低共熔点为257.8K)第40页，共61页，编辑于2022年，星期三当物系点处在当物系点处在R点时，可将点时，可将(NH4)2SO4(s)从组成为从组成为y的溶液的溶液(母液母液)中分离出来。将分离出来的母液再升温至中分离出来。将分离出来的母液再升温至Q点并加入粗盐，使浓度点并加入粗盐，使浓度回到回到P点，然后再从点，然后再从P点冷却到点冷却到R点，如此循环结晶，就可以从粗点，如此循环结晶，就可以从粗盐中提纯出盐中提纯出(NH4)2SO4(s)。可见，根据相图我们便可以找出最佳的分离提纯的操作条件，并可见，根据相图我们便可以找出最佳的分离提纯的操作条件，并以此指导生产实践。以此指导生产实践。(NH4)2SO4(B)(B)%H2O(A)第41页，共61页，编辑于2022年，星期三6.9二组分固态互溶系统液一固平衡相图二组分固态互溶系统液一固平衡相图 1固态完全互溶系统固态完全互溶系统两种物质形成的液态混合物冷却凝固后，若两物质形成以分子、原子或离子大小相互两种物质形成的液态混合物冷却凝固后，若两物质形成以分子、原子或离子大小相互均匀混合的一种固相，则称此固相为固态混合物均匀混合的一种固相，则称此固相为固态混合物(固溶体固溶体)或固态溶液或固态溶液。特点：特点：固态混合物的熔点介于两纯组分的熔点之间固态混合物的熔点介于两纯组分的熔点之间 二组分固态、液态完全互溶二组分固态、液态完全互溶 第42页，共61页，编辑于2022年，星期三完全互溶固溶体的相图应用完全互溶固溶体的相图应用在金属加工工艺中，往往在接近固一液平衡温度下，长时间加热使合金内部在金属加工工艺中，往往在接近固一液平衡温度下，长时间加热使合金内部组成达均匀，这个过程称组成达均匀，这个过程称“退火退火”，退火不好的金属材料处于介稳状态，将影响，退火不好的金属材料处于介稳状态，将影响合金的强度性能；合金的强度性能；如果将熔融液快速冷却，来不及发生相变，系统在低温时仍可保持高温时的结构如果将熔融液快速冷却，来不及发生相变，系统在低温时仍可保持高温时的结构状态，这个过程称状态，这个过程称“淬火淬火”；两个组分在固态与液态时彼此能够以任两个组分在固态与液态时彼此能够以任意的比例互溶而不生成化合物，并且没有低意的比例互溶而不生成化合物，并且没有低共熔点。共熔点。组成为组成为A的熔化物冷却时，在的熔化物冷却时，在A点开始析点开始析出组成为出组成为B的固溶体。的固溶体。当温度继续下降时，液相的组成沿当温度继续下降时，液相的组成沿AA1A2线变化，固相的组成沿线变化，固相的组成沿BB1B2线变化。线变化。继续冷却，液相消失，体系在继续冷却，液相消失，体系在B2点所对点所对应的温度以下进入固相区。应的温度以下进入固相区。第43页，共61页，编辑于2022年，星期三第44页，共61页，编辑于2022年，星期三2固态部分互溶系统固态部分互溶系统：B溶于溶于A中的固态溶液，中的固态溶液，：A溶于溶于B中的固态溶液。中的固态溶液。S1S2为三相线，液、固（为三相线，液、固（）、）、固（固（）三相共存，三相共存，三个相点分别为三个相点分别为L，S1和和S2，其所对应的温度为低共熔点。其所对应的温度为低共熔点。A和和B在液态时完全互溶在液态时完全互溶固态时固态时A在在B中溶解形成一种中溶解形成一种固态溶液固态溶液，在一定温度下有一定在一定温度下有一定的溶解度；的溶解度；B在在A中溶解形成另一种固态溶液中溶解形成另一种固态溶液，在同一温度下另有一定的溶解度。在同一温度下另有一定的溶解度。两固态饱和溶液平衡共存时两固态饱和溶液平衡共存时为两种固相，这样的系统属于为两种固相，这样的系统属于固态部分互溶系统。固态部分互溶系统。（1）系统有一低共熔点）系统有一低共熔点F=2-1+1F=2-2+1F=21+1F=2-2+1第45页，共61页，编辑于2022年，星期三用用PbSb合金作轴承时，既要耐磨又要质硬，合金作轴承时，既要耐磨又要质硬，PbSb系统在系统在Sb含量小于含量小于11.l时，首先析出的时，首先析出的固溶体中含固溶体中含Pb量较大而不耐磨，量较大而不耐磨，Sb含量大于含量大于11.l时，析出的时，析出的固溶体含固溶体含Sb量较大，质硬耐磨，量较大，质硬耐磨，实验证明：实验证明：Sb含量在含量在1718其合金性能最好。其合金性能最好。第46页，共61页，编辑于2022年，星期三有一低共熔点相图中，系统是从液态低共熔物中析出有一低共熔点相图中，系统是从液态低共熔物中析出及及两固态溶液。两固态溶液。有一转变温度的相图中，系统失热达有一转变温度的相图中，系统失热达LS1S2线的三相平衡温度（此温度称为转变温度）线的三相平衡温度（此温度称为转变温度）时：时：若样品的组成介于若样品的组成介于S1、S2点之间，在转变温度时成三相平衡，但温度低于转变温度点之间，在转变温度时成三相平衡，但温度低于转变温度时，液相消失后，剩余的时，液相消失后，剩余的相与转变成相与转变成相成两相平衡。相成两相平衡。若样品的组成介于若样品的组成介于L、S1点之间，在转变温度时也成三相平衡，但温度低于转变温度点之间，在转变温度时也成三相平衡，但温度低于转变温度时，系统进入液相时，系统进入液相l l与与相的两相区。相的两相区。（2）系统有一转变温度）系统有一转变温度第47页，共61页，编辑于2022年，星期三 下下图图熔化物LL+L+第48页，共61页，编辑于2022年，星期三熔化物LL+L+（3）在镉标准电池中，镉汞电极含）在镉标准电池中，镉汞电极含Cd的浓度在的浓度在514之间；之间；室温下，镉汞系统存在熔融液室温下，镉汞系统存在熔融液L与固溶体与固溶体间的二相平衡，其中间的二相平衡，其中Cd在这两在这两相中都达到饱和，即使是镉的含量发生少许变化，也只是改变两相相对质量，相中都达到饱和，即使是镉的含量发生少许变化，也只是改变两相相对质量，Cd在两相中的浓度仍维持不变；在两相中的浓度仍维持不变；所以电极电势能保持恒定。所以电极电势能保持恒定。第49页，共61页，编辑于2022年，星期三6-6第50页，共61页，编辑于2022年，星期三第51页，共61页，编辑于2022年，星期三第52页，共61页，编辑于2022年，星期三解解（1）123456789sl+sl+ssss+ss+s l+slS1E1S2S3E2S4l+（s）=（s）第53页，共61页，编辑于2022年，星期三123456789sl+sl+ssss+ss+s l+sl第54页，共61页，编辑于2022年，星期三第55页，共61页，编辑于2022年，星期三第56页，共61页，编辑于2022年，星期三第57页，共61页，编辑于2022年，星期三说明：说明：独立限制条件数独立限制条件数只有在同一相中才能起作用只有在同一相中才能起作用独立的化学平衡数：指物质间构成的化学平衡是相互独立的独立的化学平衡数：指物质间构成的化学平衡是相互独立的S S：物种数：物种数 R R：独立的化学平衡数：独立的化学平衡数RR独立限制条件数独立限制条件数组分数组分数相律相律单组分系统相图单组分系统相图FCP十十23P单组分系统最多三相共存单组分系统最多三相共存单组分系统是双变量系统单组分系统是双变量系统总结总结1第58页，共61页，编辑于2022年，星期三在在T-xT-x图上，气相线在上，液相线在下，图上，气相线在上，液相线在下，上面是气相区，下面是液相区，梭形区上面是气相区，下面是液相区，梭形区是气是气-液两相区。液两相区。在在p-x p-x 图上，液相线在上，气相线在下。图上，液相线在上，气相线在下。上面是液相区，下面是气相区，梭形区上面是液相区，下面是气相区，梭形区是气是气-液两相区。液两相区。二组分二组分理想液态混合物的气液平衡相图理想液态混合物的气液平衡相图对于二组分体系，对于二组分体系，C=2F=2P+2=4P P P至少为至少为1 1，则，则 F F 最多为最多为3 3总结总结2第59页，共61页，编辑于2022年，星期三二组分真实液态混合物的气一液平衡相图二组分真实液态混合物的气一液平衡相图单组分系统单组分系统固态不互溶系统固态不互溶系统生成稳定化合物生成稳定化合物生成不稳定化合物生成不稳定化合物生成化合物的二组分系统生成化合物的二组分系统第60页，共61页，编辑于2022年，星期三系统有一低共熔点系统有一低共熔点系统有一转变温度系统有一转变温度完全互溶固溶体完全互溶固溶体固态部分互溶系统固态部分互溶系统固固态态互互溶溶系系统统第61页，共61页，编辑于2022年，星期三