《物理化学》课件：第四章 相平衡.ppt

1、 物理化学电子教案物理化学电子教案第四章第四章 4.1 引言 4.2 多相体系平衡的一般条件 4.3 相律 4.4 单组分体系的相图 4.5 二组分液相体系的相图及其应用 4.6 简单的低共熔混合物第四章 相平衡 4.7 辅导答疑 4.1 4.1 引言 相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一。研究多相体系的平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义。例如：用金相分析研究金属冶炼中的相变天然或人工合成熔盐和盐类的开发利用用溶解、蒸馏、重结晶、萃取等方法提纯天然或人工合成的各种药物或化工产品超临界条件下的合成和萃取等 4.1 4.1 引言相图（phase diagram） 表达多相体系的状态如何

2、随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形，称为相图。相（phase） 体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。体系中相的总数称为相数，用 表示。 4.1 4.1 引言气体，不论有多少种气体放在一起，只有一个气相。因为气体分子混合很均匀，分子之间没有界面。液体，按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。固体，一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）。多种气体混合物 4.1 4.1 引言自由度（degree of freedom） 确定平衡体系的状态所必须的独立强度变

3、量的数目称为自由度，用字母 f 表示。这些强度变量通常是压力、温度和浓度等。*1ff例如：指定了压力， 如果已指定某个强度变量，除该变量以外的其它强度变量数称为条件自由度，用 表示。*f*2ff指定了压力和温度，(1)热平衡条件：设体系有个相，达到平衡时，各相具有相同温度TTTF, , , F4.24.2 多相体系平衡的一般条件 在一个封闭的多相体系中，相与相之间可以有热的交换、功的传递和物质的交流。对具有 个相体系的热力学平衡，实际上包含了如下四个平衡条件：FpppF(2)压力平衡条件：达到平衡时各相的压力相等4.24.2 多相体系平衡的一般条件 在一个封闭的多相体系中，相与相之间可以有热的

4、交换、功的传递和物质的交流。对具有 个相体系的热力学平衡，实际上包含了如下四个平衡条件：FBBBF（3） 相平衡条件： 任一物质B在各相中的化学势相等，相变达到平衡BBB0 （4） 化学平衡条件：化学变化达到平衡4.3 4.3 相律独立组分数（number of independent component）CSRR定义：体系中所有物种数S体系中独立的化学平衡数RR各物种间的浓度限制条件称为独立组分数，即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。C4.3 4.3 相律相律（phase rule）2fCF 相律是相平衡体系中揭示相数 ，独立组分数C 和自由度 f 之间关系的规律

5、，用公式表示为：fCnF2通常指T，p两个变量 相律最早由Gibbs提出，所以又称为Gibbs相律。如果除T，p外，还受其它力场如磁场、电场和重力场的影响，则2改用 n 表示，即：4.4 4.4 单组分体系的相图相点 表示某个相状态（如相态、组成、温度等）的点称为相点。物系点 相图中表示体系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；在水盐体系图上，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。 在单相区，物系点与相点重合；在两相区中，只有物系点，它对应的两个相的组成由对应的相点表示。4.4 4.4 单组分体系的相图1C3f F1F 当单相2

6、f双变量体系2F两相平衡1f单变量体系3F三相共存0f无变量体系 单组分体系的自由度最多为2，双变量体系的相图可用平面图表示。单组分体系的相数与自由度Clapeyron方程在一定温度、压力下,任何纯物质达两相平衡时，2121ddSSVVpT这就是Clapeyron(克拉贝龙)方程。蒸气压随温度变化率为：12 12ddGGGGdd + dGS T V p 1122d + dd +dS T V pST V p HT V为相变时焓的变化值H为相变时相应的体积变化值V就是单组分相图上两相平衡线的斜率。ddpTClausius-Clapeyron方程)/(g)(ddmvapmmvappRTTHTVHTp

7、vapm2dlndHpTRT这就是Clausius-Clapeyron 方程， 是摩尔气化热。mvapH假定 的值与温度无关，积分得： vapmHvapm211211ln()HppRTT这公式可用来计算不同温度下的蒸气压或摩尔蒸发热。 对于气、液(或气、固)两相平衡，并假设气体为1mol理想气体,将液(固)体体积忽略不计，则：水的相图/Pap/KTABCOfqPD273.16水的相图水冰水蒸气水的相图/Pap/KTABCOfqPD273.16水的相图水冰水蒸气610.62水的相图水的相图是根据实验绘制的。图上有：三个单相区 气、液、固三条两相平衡线 在单相区内， 温度和压力独立地有限度地变化不

8、会引起相的改变。1, 2fF 在平衡线上， 压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由体系自定。2,1fF/Pap/KTABCOfqPD273.16水的相图水冰水蒸气水的相图OA 是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不能任意延长，终止于临界点A，这时气-液界面消失。OB 是气-固两相平衡线，即冰的升华曲线，理论上可延长至0 K附近。OC 是液-固两相平衡线，当C点延长至压力大于 时，相图变得复杂，有不同结构的冰生成。82 10 Pa/ Pap/ KTABCOfqPD273.16水的相图水冰水蒸气临界点：647 K ,T 72.2 10 Pap 高于临界温度，不能用加压的方法使气体液化。水

9、的相图OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。O点 是三相点（triple point），气-液-固三相共存，。三相点的温度和压力皆由体系自定。3, 0fFH2O的三相点温度为273.16 K，压力为610.62 Pa。/ Pap/ KTABCOfqPD273.16水的相图水冰水蒸气水的相图两相平衡线上的相变过程 在两相平衡线上的任何一点都可能有三种情况。如OA线上的P点：（1）处于f点的纯水，保持温度不变，逐步减小压力，在无限接近于P点之前，气相尚未

10、形成，体系自由度为2。用升压或降温的办法保持液相不变。/Pap/KTP水的相图gffgP水的相图两相平衡线上的相变过程 在两相平衡线上的任何一点都可能有三种情况。如OA线上的P点：/Pap/KTP水的相图gffgP（2）到达P点时，气相出现，在气-液两相平衡时 。压力与温度只有一个可变。1f （3）继续降压，离开P点时，最后液滴消失，成单一气相，2 .f 通常只考虑（2）的情况。三相点与冰点的区别 三相点是物质自身的特性，不能加以改变，如H2O的三相点273.16 K , 610.62 Pa .Tp 冰点是在大气压力下，水、冰、气三相共存。当大气压力为 时，冰点温度为 ，改变外压，冰点也随之改

11、变。510 Pa273.15 K三相点与冰点的区别 冰点温度比三相点温度低 是由两种因素造成的：0.01 K(1)因外压增加，使凝固点下降 ；0.00748 K(2)因水中溶有空气，使凝固点下降 。0.00241 K两相平衡线的斜率 三条两相平衡线的斜率均可由Clausius-Clapeyron方程或Clapeyron方程求得。OA线2mvapdlndRTHTp0mvapH斜率为正。OB线subm2dlndHpTRTsubm0H斜率为正。OC线VTHTpfusmfusdd斜率为负。fusfus0, 0HV4.5 4.5 二组分液相体系的相图及应用p-x图和T-x图理想的完全互溶双液系杠杆规则蒸

12、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，2, 4CfF（1） 保持温度不变，得 p-x 图 较常用（3） 保持组成不变，得 T-p 图 不常用。（2） 保持压力不变，得 T-x 图 常用 所以要表示二组分体系状态图，需用三个坐标的立体图表示。 至少为1，则 f 最多为3。这三个变量通常是T，p 和组成 x。F理想的完全互溶双液系 两个纯液体可按任意比例互溶，每个组分都服从拉乌尔定律，这样组成了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

13、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 和 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*Ap*BpA*AAxpp B*BBxpp BAppp理想的完全互溶双液系理想的完全互溶双液系 这是 p-x 图的一种，把液相组成 x 和气相组成 y 画在同一张图上。A和B的气相组成 和 的求法如下：AyBy（2） p-x-y 图AApypBA1yy *ABAABBpppp xp x)1 (*BA*AAxpxpA*B*A*B)(xppp 已知 ， ， 或 ，就可把各液相组成对应的气相组成求出，画在 p-x 图上就得 p-x-y 图。*Ap*BpAxBx理想的完全互

14、溶双液系理想的完全互溶双液系 在等温条件下，p-x-y 图分为三个区域。在液相线之上，体系压力高于任一混合物的饱和蒸气压，气相无法存在，是液相区。 在气相线之下，体系压力低于任一混合物的饱和蒸气压，液相无法存在，是气相区。 在液相线和气相线之间的梭形区内，是气-液两相平衡。 如果，则，即易挥发的组分在气相中的成分大于液相中的组分，反之亦然。ABppAAyx理想的完全互溶双液系(3) T-x图 亦称为沸点-组成图。外压为大气压力，当溶液的蒸气压等于外压时，溶液沸腾，这时的温度称为沸点。某组成的蒸气压越高，其沸点越低，反之亦然。 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

15、从实验数据直接绘制。也可以从已知的p-x图求得。理想的完全互溶双液系(4)从p-x图求对应的T-x图 右图为已知的苯与甲苯在4个不同温度时的 p-x 图。 即组成为x1的液体在381K时沸腾，余类推。 在压力为 处作一水平线，与各不同温度时的液相组成线分别交在x1，x2，x3 和 x4各点，代表了组成与沸点之间的关系。p$理想的完全互溶双液系 将x1 ，x2，x3和x4的对应温度 连成曲线就得液相组成线。理想的完全互溶双液系 将组成与沸点的关系标在下一张以温度和组成为坐标的图上，就得到了T-x图。 和 分别为甲苯和苯的沸点。显然 越大， 越低。*pbT*AT*BT理想的完全互溶双液系1x2x3

16、x4xA()苯B()甲苯Axpp381k373k365k357k/KTA()苯B()甲苯Ax3811x2x3733x3654x357*BT*AT*AAA*BBBpyp xyxgg-llpx等温图Tx等压图理想的完全互溶双液系 用 的方法求出对应的气相组成线。ppyAA 在T-x图上，气相线在上，液相线在下，上面是气相区，下面是液相区，梭形区是气-液两相区。杠杆规则（Lever rule） 在T-x图的两相区，物系点C代表了体系总的组成和温度。 通过C点作平行于横坐标的等温线，与液相和气相线分别交于D点和E点。DE线称为等温连结线（tie line）。 落在DE线上所有物系点的对应的液相和气相组

17、成，都由D点和E点的组成表示。杠杆规则（Lever rule）杠杆规则（Lever rule） 液相和气相的数量借助于力学中的杠杆规则求算，即以物系点为支点，支点两边连结线的长度为力矩，计算液相和气相的物质的量或质量，这就是可用于任意两相平衡区的杠杆规则。即lgCDCEnnlgCDCEmm或 可以用来计算两相的相对量（总量未知）或绝对量（总量已知）。蒸馏（或精馏）原理简单蒸馏 简单蒸馏只能把双液系中的A和B粗略分开。 在A和B的T-x图上，纯A的沸点高于纯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（

18、或精馏）原理蒸馏（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。 接收 间的馏出物，组成在y1与y2之间，剩余液组成为x2，A含量增加。这样，将A与B粗略分开。21TT 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。蒸馏（或精馏）原理精馏 精馏是多次简单蒸馏的组合。 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。 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。蒸馏（或精馏）原理蒸馏（或精馏）原理蒸

19、馏（或精馏）原理用A、B二组分T-x图表述精馏过程。 取组成为x的混合物从精馏塔的半高处加入，这时温度为 ，物系点为O，对应的液、气相组成分别为 和 。4T4x4y 组成为 的气相在塔中上升，温度降为 ，有部分组成为 的液体凝聚，气相组成为 ，含B的量增多。4y3T3x3y 组成为 的气体在塔中继续上升温度降为 ，如此继续，到塔顶，温度为纯B的沸点，蒸气冷凝物几乎是纯B。3y2T蒸馏（或精馏）原理 组成为 的液相在塔板冷凝后滴下，温度上升为 。又有部分液体气化，气相组成为 ，剩余的组成为 的液体再流到下一层塔板，温度继续升高。4x5T5y5x理论塔板数可从计算得到。 如此继续在塔底几乎得到的是

20、纯A，这时温度为A的沸点。 每一塔板都经历一个热交换过程：蒸气中高沸点物在塔板上凝聚，放出凝聚热后流到下一层塔板，液体中低沸点物得到热量后升入上一层塔板。非理想的完全互溶双液系(1)对拉乌尔定律发生偏差 由于某一组分本身发生分子缔合或A，B组分混合时有相互作用，使体积改变或相互作用力改变，都会造成某一组分对拉乌尔定律发生偏差，这偏差可正可负。 如图所示，是对拉乌尔定律发生正偏差的情况，虚线为理论值，实线为实验值。真实的蒸气压大于理论计算值。非理想的完全互溶双液系 如果把它对应的气相组成线也画出来，分别得到对应的p-x(y)图和T-x(y)图，这时液相线已不再是直线。 发生负偏差的情况与之类似，

21、只是真实的蒸气压小于理论计算值，液相线也不是直线。p-x图上具有最高点的体系非理想的完全互溶双液系(2)正偏差在p-x图上有最高点 由于A，B二组分对拉乌尔定律的正偏差很大，在p-x图上形成最高点，如左图。 在p-x图上有最高点者，在T-x图上就有最低点，这最低点称为最低恒沸点（minimum azeotropic point） 计算出对应的气相的组成，分别画出p-x(y)和T-x(y)图，如(b)，(c)所示。非理想的完全互溶双液系p-x图上具有最高点的体系非理想的完全互溶双液系最低恒沸混合物 在T-x（y）图上，处在最低恒沸点时的混合物称为最低恒沸混合物（Low-boiling azeot

22、rope）。 属于此类的体系有： 等。在标准压力下， 的最低恒沸点温度为351.28K，含乙醇95.57 。225366H O-C H OH, CH OH-C H ,OHHC-OH5226652HC-OHHC 它是混合物而不是化合物，它的组成在定压下有定值。改变压力，最低恒沸点改变，它的组成也随之改变。非理想的完全互溶双液系非理想的完全互溶双液系 具有最低恒沸点的相图可以看作由两个简单的T-x（y）图的组合。在组成处于恒沸点之左，精馏结果只能得到纯A 和恒沸混合物。组成处于恒沸点之右，精馏结果只能得到恒沸混合物和纯B。 对于 体系，若乙醇的含量小于95.57，无论如何精馏，都得不到无水乙醇。只

23、有加入 ，分子筛等吸水剂，使乙醇含量超过95.57，再精馏可得无水乙醇。OHHC-OH5222CaCl非理想的完全互溶双液系（3）负偏差在p-x图上有最低点 由于A，B二组分对拉乌尔定律的负偏差很大，在p-x图上形成最低点，如图(a)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） 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。p-x图上具有最高点的体系非理想的完全互溶双液系p-x图上具有最低点的体系非理想的完全互溶双液系最高恒沸点混合物 在T-x(y)图上，处在最高恒沸点时

24、的混合物称为最高恒沸混合物（high-boiling azeotrope）。 属于此类的体系有：等。在标准压力下， 的最高恒沸点为381.65 K，含HCl 20.24，分析上常用来作为标准溶液。232H O-HNO , H O-HClHCl-OH2 它是混合物而不是化合物，其组成在定压下有定值。改变压力，最高恒沸点改变，其组成也随之改变。非理想的完全互溶双液系部分互溶的双液系（1）具有最高会溶温度 体系在常温下只能部分互溶，分为两层。2562NHHC-OHB点温度称为最高临界会溶温度（critical consolute temperature） 。温度高于 ，水和苯胺可无限混溶。BTBT

25、下层是水中饱和了苯胺，溶解度情况如图中左半支所示；上层是苯胺中饱和了水，溶解度如图中右半支所示。升高温度，彼此的溶解度都增加。到达B点，界面消失，成为单一液相。质量分数等压31345300.20.40.60.81.02H O652C H NH2652H O-C H NH 的溶解度图T/K单相两相BCEDAAnA1TBT373部分互溶的双液系 帽形区外，溶液为单一液相，帽形区内，溶液分为两层。 会溶温度的高低反映了一对液体间的互溶能力，可以用来选择合适的萃取剂。 所有平均值连线与平衡曲线交点B的温度为临界会溶温度。 在373 K时，两层的组成分别为A和A”，称为共轭层(conjugate lay

26、ers)，A和A”称为共轭配对点, 是共轭层组成的平均值。nA质量分数等压31345300.20.40.60.81.02H O652C H NH2652H O-C H NH 的溶解度图T/K单相两相BCEDAAnA1TBT373部分互溶的双液系质量分数等压31345300.20.40.60.81.02H O652C H NH2652H O-C H NH 的溶解度图T/K单相两相BCEDAAnABT1T373 在 (约为291.2K）以下，两者可以任意比例互溶，升高温度，互溶度下降，出现分层。BT部分互溶的双液系（2）具有最低会溶温度 水-三乙基胺的溶解度图如图所示。 以下是单一液相区，以上是两

27、相区。BT质量分数30334300.20.40.60.81.0T/K单相323水三乙基胺水-三乙基胺的溶解度图等压两相BTB部分互溶的双液系质量分数30334300.20.40.60.81.0T/K单相323水三乙基胺水-三乙基胺的溶解度图等压两相BTB部分互溶的双液系（3）同时具有最高、最低会溶温度如水和烟碱的溶解度图： 在最高会溶温度 (约334 K)以下和在最低会溶温度 (约481K)以上，两液体完全互溶。cTcT 在这两个温度之间只能部分互溶，形成一个完全封闭的溶度曲线，曲线之内是两液相区。质量分数37345300.20.40.60.81.0T/K单相413水烟碱水-烟碱的溶解度图等压

28、两相473cTcT cc部分互溶的双液系质量分数37345300.20.40.60.81.0T/K单相413水烟碱水-烟碱的溶解度图等压两相473cTcT cc部分互溶的双液系（4） 不具有会溶温度 乙醚与水组成的双液系，在它们能以液相存在的温度区间内，一直是彼此部分互溶，不具有会溶温度。不互溶的双液系不互溶双液系的特点 如果A，B 两种液体彼此互溶程度极小，以致可忽略不计。则A与B共存时，各组分的蒸气压与单独存在时一样，液面上的总蒸气压等于两纯组分饱和蒸气压之和。 当两种液体共存时，不管其相对数量如何，其总蒸气压恒大于任一组分的蒸气压，而沸点则恒低于任一组分的沸点。 通常在水银的表面盖一层水

29、，企图减少汞蒸气，其实是徒劳的。*B*Appp即：不互溶的双液系水蒸气蒸馏 以水-溴苯体系为例，两者互溶程度极小，而密度相差极大，很容易分开。物系蒸气压曲线沸点溴苯QM429K水QN373.15K水+溴苯QO368.15K 由表可见，在溴苯中通入水气后，双液系的沸点比两个纯物的沸点都低，很容易蒸馏。由于溴苯的摩尔质量大，蒸出的混合物中溴苯含量并不低。不互溶的双液系/Papp368.15273/KT373.15bTN水M溴苯O水+溴苯Q两种互不相溶液体水-溴苯的蒸气压不互溶的双液系馏出物中两组分的质量比计算如下：BABB*BnnnpypBAAA*AnnnpypAABBAB*A*B/MmMmnnp

30、p*BBB*AAAmpMmpM虽然 小，但 大，所以 也不会太小。*BpBMBm4.6 4.6 简单的低共熔混合物（1） 热分析法绘制低共熔相图基本原理：二组分体系 ，指定压力不变，2C3 F*1fCF双变量体系*= 1 = 2fF 单变量体系*= 2 = 1fF 无变量体系*= 3 = 0fF 4.6 4.6 简单的低共熔混合物（1） 热分析法绘制低共熔相图 首先将二组分体系加热熔化，记录冷却过程中温度随时间的变化曲线，即步冷曲线（cooling curve）。 当体系有新相凝聚，放出相变热，步冷曲线的斜率改变。*1f，出现转折点；*0f，出现水平线段。 据此在T-x图上标出对应的位置，得到

31、低共熔T-x图。*2f*1f*1f*0fTtCd-Bi二元相图的绘制1.首先标出纯Bi和纯Cd的熔点 将100Bi的试管加热熔化，记录步冷曲线，如a所示。在546K时出现水平线段，这时有Bi(s)出现，凝固热抵消了自然散热，体系温度不变。 这时条件自由度 。当熔液全部凝固， ，温度继续下降。所以546 K是Bi的熔点。 *11 1 20fC F*1,1fF 同理，在步冷曲线e上，596 K是纯Cd的熔点。分别标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘制Cd-Bi二元相图的绘制2 作含20Cd，80Bi的步冷曲线。 将混合物加热熔化，记录步冷曲线如b所示。在C点，曲线发生转折，有Bi(s)析出，降温

32、速度变慢；*12 1 21fC F0312*f 至D点，Cd(s)也开始析出，温度不变；Cd-Bi二元相图的绘制2 作含20Cd，80Bi的步冷曲线。 至D点，熔液全部凝结为Bi(s)和Cd(s)，温度又开始下降；1212*f 含70Cd的步冷曲线d情况类似，只是转折点F处先析出Cd(s)。将转折点分别标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘制Cd-Bi二元相图的绘制3作含40Cd的步冷曲线 将含40Cd，60Bi的体系加热熔化，记录步冷曲线如C所示。开始，温度下降均匀，到达E点时， Bi(s)，Cd(s)同时析出，出现水平线段。*12 1 30fC F1212*f 当熔液全部凝固，温度又继续下

33、降，将E点标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘制Cd-Bi二元相图的绘制4 完成Bi-Cd T-x相图 连接A,C,E点，得到Bi(s)与熔液两相共存的液相组成线； 连接H,F,E点,得到Cd(s)与熔液两相共存液相组成线； 连接D,E,G点，得到Bi(s),Cd(s)与熔液共存的三相线；熔液的组成由E点表示。这样就得到了Bi-Cd的T-x图。Cd-Bi二元相图的绘制Cd-Bi二元相图的绘制00.20.40.60.81CdBi100%100%Cd的质量分数p/KT413413Cd-Bi二元相图的绘制100%Bi100%CdAOABaeH54659620%CdbCDD70%CddFG40%Cd

34、cEBi(s)+熔化物熔化物（单相）熔化物+Cd(s)AHCDFGEBi(s)+Cd(s)Cd-Bi二元相图的绘制 图上有4个相区： 1. AEH线之上，熔液(l)单相区，2*f2. ABE之内，Bi(s)+ l 两相区，1*f3. HEM之内， Cd(s)+ l 两相区，1*f4. BEM线以下， Bi(s)+Cd(s)两相区，1*fCd-Bi二元相图的绘制有三条多相平衡曲线1. ACE线，Bi(s)+熔液 共存时的熔液组成线。2. HFE线，Cd(s)+熔液 共存时的熔液组成线。3. BEM线，Bi(s)+熔液+ Cd(s) 三相平衡线，三个相的组成分别由B，E，M三个点表示。Cd-Bi二

35、元相图的绘制有三个特殊点： A点，纯Bi(s)的熔点 H点，纯Cd(s)的熔点E点，Bi(s)+熔液+Cd(s)三相共存点。 因为E点温度均低于A点和H点的温度，称为低共熔点（eutectic point）。在该点析出的混合物称为低共熔混合物（eutectic mixture）。它不是化合物，由两相组成，只是混合得非常均匀。E点的温度会随外压的改变而改变，在这T-x图上，E点仅是某一压力下的一个截点。简单的低共熔混合物（2） 溶解度法绘制水-盐相图 以 体系为例，在不同温度下测定盐的溶解度，根据大量实验数据，绘制出水-盐的T-x图。4242SO)(NH-OH图中有四个相区：LAN以上，溶液单相

36、区LAB之内，冰+溶液两相区 NAC以上， 和溶液两相区s)(SO)NH(424BAC线以下，冰与 两相区s)(SO)NH(424BCN00.20.40.60.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的质质量量分分数数4242(NH ) SOH O的相图AL固体冰+溶液424(NH ) SO 固+ 溶液 溶液（单相）O SQYpRxzWW简单的低共熔混合物BCN00.20.40.60.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的质质量量分

37、分数数4242(NH ) SOH O的相图AL固体冰+溶液424(NH ) SO 固+ 溶液 溶液（单相）O SQYpRxzWW简单的低共熔混合物图中有三条曲线：LA线 冰+溶液两相共存时，溶液的组成曲线，也称为冰点下降曲线。AN线 +溶液两相共存时，溶液的组成曲线，也称为盐的饱和溶度曲线。s)(SO)NH(424BAC线 冰+溶液三相共存线。s)(SO)NH(424BCN00.20.40.60.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的质质量量分分数数4242(NH ) SOH O的相图AL固体冰+溶液424(N

38、H ) SO 固+ 溶液 溶液（单相）O SQYpRxzWW简单的低共熔混合物图中有两个特殊点：A点 冰+ +溶液三相共存点。 s)(SO)NH(424BCN00.20.40.60.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的质质量量分分数数4242(NH ) SOH O的相图AL固体冰+溶液424(NH ) SO 固+ 溶液 溶液（单相）O SQYpRxzWWL点 冰的熔点。 盐的熔点极高，受溶解度和水的沸点限制，在图上无法标出。 溶液组成在A点以左者冷却，先析出冰；在A点以右者冷却，先析出 。s)(SO)NH(4

39、24水- -盐冷冻液 在化工生产和科学研究中常要用到低温浴，配制合适的水-盐体系，可以得到不同的低温冷冻液。例如：NaCl(s)-OH2) s (CaCl-OH22KCl(s)-OH2水盐体系 低共熔温度252 K218 K262.5 K257.8 KCl(s)NH-OH42 在冬天，为防止路面结冰，撒上盐，实际用的就是冰点下降原理。结晶法精制盐类 例如，将粗 盐精制。首先将粗盐溶解，加温至353 K，滤去不溶性杂质，设这时物系点为S。424SO)NH( 冷却至Q点，有精盐析出。继续降温至R点（R点尽可能接近三相线，但要防止冰同时析出），过滤，得到纯 晶体，滤液浓度相当于y点。424SO)NH

40、( 母液中的可溶性杂质过一段时间要作处理，或换新溶剂。 再升温至O点，加入粗盐，滤去固体杂质，使物系点移到S点，再冷却，如此重复，将粗盐精制成精盐。BCN00.20.40.60.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的质质量量分分数数4242(NH ) SOH O的相图AL固体冰+溶液424(NH ) SO 固+ 溶液 溶液（单相）O SQYpRxzWW形成稳定化合物的体系 A和B两个物质可以形成稳定化合物，包括稳定的水合物。 这类化合物有自己的熔点，在熔点时液相和固相的组成相同。属于这类体系的有：OHFeCl2

41、3的4种水合物s)(FeCl-CuCl(s)32Fe(s)-Au(s)KClCuCl2酚-苯酚OHSOH242的3种水合物形成稳定化合物的相图 与可形成化合物C，H是C的熔点，在C中加入A或B组分都会导致熔点的降低。CuCl(A)B)(FeCl3 这张相图可以看作A与C和C与B的两张简单的低共熔相图合并而成。 所有的相图分析与简单的二元低共熔相图类似。形成稳定化合物的相图形成稳定水合物的相图 与 能形成三种稳定的水合物，即, , ,它们都有自己的熔点。OH242SOH2423H SOH O (C )2422H SO2H O (C )2421H SO4H O (C ) 纯硫酸的熔点在283 K左

42、右，而与一水化合物的低共熔点在235 K，所以在冬天用管道运送硫酸时应适当稀释，防止硫酸冻结。 这张相图可以看作由4张简单的二元低共熔相图合并而成。如需得到某一种水合物，溶液浓度必须控制在某一范围之内。形成稳定水合物的相图 b点，纯硫酸的熔点在283 K左右； E4点，一水化合物的低共熔点在235 K。Mg(A)-Si(B)系统的熔点-组成图(生成相合熔点化合物系统)苯酚（A）-苯胺（B）系统的相图H2O（A）- H2SO4（B）系统的相图Na(A) - K(B)系统生成不稳定化合物相图Na(A) - K(B)系统生成不稳定化合物相图具有低共熔点的熔点具有低共熔点的熔点-组成图组成图Sn(A)

43、 - Pb(B)系统的熔点系统的熔点-组成图组成图Ag(A) - Pt(B)系统的熔点系统的熔点-组成图组成图 AgCu体系相图体系相图 4.7 4.7 辅导答疑 4.14.14.1 相点与物系点有什么区别?答：相点是相图中表示某平衡相组成的点。从相点位置可看出该相的状态、组成、温度、压力等。相点位置可随压力、温度的改变而改变。在单组分体系的相图上，所有点全部是相点。 物系点是在多组分体系的相图上表示总组成的点,在单相区,物系点可与相点重合,而在两相区内只有物系点。该物系所对应的两个相组成由两个相点表示。在T-x图上,物系点可沿着与温度坐标平行的直线上、下移动；在水盐体系图上,随着水的多少物系

44、点可沿着与组成坐标平行的直线左右移动。 辅导答疑 4.24.24.2 单组分体系的三相点与低共熔点有何异同点?答：共同点：都是三相共存。不同点：单组分体系的三相点是气-液-固三相共存，这时的自由度为零，它的压力、温度由体系自身性质决定，不受外界因素影响。而二组分体系的低共熔点如T-x图上的E点，是固体A、固体B和组成为E的液体三相共存。这时的自由度为1，在等压下的条件自由度为零。E点的组成由A和B的性质决定，但E点的温度受压力影响，外压改变，E点的温度和组成也会随之而改变。 辅导答疑 4.34.34.3 低共熔物能不能看作是化合物？答：不能。低共熔物不是化合物，它没有确定的熔点，压力改变，低共

45、熔物的熔化温度和组成都会改变。虽然低共熔物在金相显微镜下看起来非常均匀，但它仍是两个固相的混合物，由两相组成。 辅导答疑 4.44.44.4 水的三相点与冰点是否相同?答：不相同。纯水的三相点是气-液-固三相共存,其温度和压力由水本身性质决定，这时的压力为610.62 Pa，温度为273.16 K 。热力学温标1 K就是取水的三相点温度的1/273.16 K 。 水的冰点是在大气压力下，水的三相共存点的温度。由于冰点受外界压力影响，在105Pa压力下，冰点下降0.00747K,由于水中溶解了空气，冰点又下降0.0024K,所以在大气压力为105 Pa时，水的冰点为273.15 K 。 辅导答疑

46、 4.54.54.5 沸点和恒沸点有何不同?答：沸点是对纯液体而言的。在大气压力下，纯物的液-气两相达到平衡，气相压力等于大气压力时的温度称为沸点。 恒沸点是对完全互溶的二组分体系而言的。定压下，二组分体系的气相和液相组成完全相同时的温度，称为该溶液的恒沸点。用简单蒸馏的方法不能把二组分完全分开。在恒沸点时自由度为1。外压改变，恒沸点也改变。当压力固定时，条件自由度为零，恒沸温度有定值。 辅导答疑 4.64.64.6 恒沸混合物是不是化合物?答：不是。它是完全互溶的两个组分的混合物。在外压固定时，它有一定的沸点，这时气相组成和液相组成完全相同。但是，当外压改变时，恒沸混合物的沸点和组成也随之而

47、改变。 辅导答疑 4.74.74.7 在汞面上加了一层水能减少汞的蒸气压吗?答：不能。因为水和汞是不互溶的液体，两者共存时，各组分的蒸气压与单独存在时一样。汞的蒸气压并没有因为水层的覆盖而下降，液面上的总压力等于水和汞的蒸气压之和。如果要蒸馏汞的话，加了水可以使混合物的沸点降低，这就是蒸气蒸馏的原理。 辅导答疑 4.84.84.8 硫氢化铵的分解反应：(1)在真空容器中分解,(2)在充有一定氨气的容器中分解,两种情况的独立组分数是否一样?答：两种独立组分数不一样。 在(1)中，C =1。因为物种数S 为3，但有一个平衡限制条件和1个浓度限制条件； 在(2)中， C =2，浓度限制条件被破坏，所

48、以独立组分数为 2。 辅导答疑 4.94.94.9 纯的碳酸钙固体在真空容器中分解，这时独立组分数为多少?答：独立组分数为2。因为物种数为3，有一个平衡限制条件，但没有浓度限制条件。因为氧化钙与二氧化碳不处在同一个相，没有摩尔分数累加和等于1的限制条件，所以独立组分数为 2。32CaCO (s)CaO(s)+CO (g) 辅导答疑 4.104.104.10 制水煤气时有三个平衡反应，求独立组分数C ？ (1) H2O(g)+ C(s)= H2(g)+ CO(g) (2) CO2(g)+ H2(g)= H2O(g)+ CO(g) (3) CO2(g)+ C(s)= 2CO(g)答：三个反应中共有

49、5个物种，方程(1)可以用方程(3)减去(2)得到，因而只有两个独立的化学平衡。没有明确的浓度限制条件，所以独立组分数为3。 辅导答疑 4.114.11答：反应中有三个物种，一个平衡限制条件，一个浓度限制条件，所以独立组分数为1，相数为2。根据相律，自由度为1。即分解温度和分解压力只有一个可以发生变化。4.11 在抽空容器中，氯化铵的分解平衡，指出该体系的独立组分数、相数和自由度？43NH Cl(s)NH (g)+HCl(g) 辅导答疑 4.124.12答：反应中有三个物种，一个平衡限制条件，没有浓度限制条件。所以独立组分数为2，相数为2，自由度为2。4.12 在含有氨的容器中氯化铵分解达平衡

50、，指出该体系的独立组分数、相数和自由度？43NH Cl(s)NH (g)+HCl(g) 辅导答疑 4.134.13答：物种数为3，有一个平衡限制条件，无浓度限制条件。所以独立组分数为2，相数为2，自由度为2。4.13 在充有氨和氯化氢的容器中，硫氢化铵分解达平衡，指出该体系的独立组分数、相数和自由度？432NH HS(s)NH (g)+H S(g) 辅导答疑 4.144.14答：物种数为4，有两个化学平衡，无浓度限制条件，所以独立组分数为2, 相数为2,自由度为2.4.14 碳和氧在一定条件下达成两种平衡，指出该体系的独立组分数、相数和自由度？ 2221C(s)+O (g)CO(g)21CO(