水盐体系相图及其应用第三章三元水盐体系相图课件.ppt

1、第三章第三章 三元水盐体系相图三元水盐体系相图第一节第一节 三元体系相图的组成表示方法及基本规则三元体系相图的组成表示方法及基本规则 由具有共同离子的两种盐和水构成的体系。由具有共同离子的两种盐和水构成的体系。简单三元水盐体系：简单三元水盐体系：OHSONHSONaOHKClNaCl2424422)(复杂三元水盐体系：复杂三元水盐体系：不具有共同离子的两种盐和水构成的体系，或是盐和不具有共同离子的两种盐和水构成的体系，或是盐和水生成了结晶水复盐以及两种盐结合形成了新的复盐水生成了结晶水复盐以及两种盐结合形成了新的复盐的体系，情况较为复杂，我们称这样的体系为复杂三的体系，情况较为复杂，我们称这样

2、的体系为复杂三元水盐体系。元水盐体系。特殊三元水盐体系：特殊三元水盐体系：OHOPCaO252构成体系的不是两种盐而是一种碱性物和一种酸性物，构成体系的不是两种盐而是一种碱性物和一种酸性物，如重过磷酸钙的生产，在不考虑磷石中的杂质时，可如重过磷酸钙的生产，在不考虑磷石中的杂质时，可表示为：表示为：体系，碳酸氢铵体系可表示体系，碳酸氢铵体系可表示为；为；体系。体系。OHCONH223一、一、三组分系统相图三组分系统相图 当当f=3f=3时，这三个独立的强度变量分别是时，这三个独立的强度变量分别是T T 及及两种盐的组成。需用三维坐标才能表达该体系的相两种盐的组成。需用三维坐标才能表达该体系的相图

3、。三个坐标轴分别是图。三个坐标轴分别是T T 及两种盐的组成，构成立及两种盐的组成，构成立体相图，但立体相图对我们考虑问题及处理相图都体相图，但立体相图对我们考虑问题及处理相图都比较麻烦。因此我们比较麻烦。因此我们通常固定通常固定T T，讨论其余两个变，讨论其余两个变量之间的关系，于是可用平面坐标图描述相图（恒量之间的关系，于是可用平面坐标图描述相图（恒温相图）。（温相图）。（等边三角形等边三角形、直角三角形直角三角形或或直直角坐标角坐标图图）。对三组分系统，由相律对三组分系统，由相律:f=3P1=4 P 1 P 4，0 f 3投影平面图投影平面图ACe1e2e3EABCB缺点：难以表达清楚缺

4、点：难以表达清楚解决办法：解决办法：1.1.投影平面图投影平面图2.2.等温截面图等温截面图如图所示如图所示,设三组分体系由设三组分体系由A、B、C 三种物质组成三种物质组成.三角坐标图用以下方法表示体系的组成三角坐标图用以下方法表示体系的组成.(1)三个顶点分别表示三个纯组分三个顶点分别表示三个纯组分,即单组分单相体系即单组分单相体系.(2)三条边分别表示三个二组分体系三条边分别表示三个二组分体系,边上的每一点可表边上的每一点可表示出该二组分体系的组成示出该二组分体系的组成.(3)三角形内部如何一点代表一个三组分三角形内部如何一点代表一个三组分体系体系.其组成按如下方法确定其组成按如下方法确

5、定.以以m点为例点为例:过过m点作点作AC、AB的平行线的平行线mG、mD,分分别交于第三边别交于第三边BC的的G、D两点两点,则则m点组成点组成为为:BD线长度为线长度为C的含量的含量;CG线长度为线长度为B的的含量含量;DG线长度即为顶点组分线长度即为顶点组分A的含量的含量.从从图中可直接读出图中可直接读出:40%的的C,40%的的B,20%的的A.(沿逆时针方向表示各组分含量沿逆时针方向表示各组分含量)二、等边三角形表示法二、等边三角形表示法证明如下.由图可见,线段mF=GC(平行四边形的两条对应边相等),线段 Em=BD(等腰梯形的两腰相等),线段 Dm=DG(ABC 相似于mDG,而

6、 ABC为全等三角形,mDG也为全等三角形,全等三角形的三条边相等)，所以有:线段 Dm+mF+mE=BC边=AB边=AC边=100%.确定P点的组成为:20%的C,20%的B,60%的A.bb/BC，bb上含A%均等。三、等边三角形规则三、等边三角形规则1.1.等含量规则等含量规则：一组体系点同在平行于三角形某一边的：一组体系点同在平行于三角形某一边的平行线上，则该组体系点所含该平行线对应的顶点组平行线上，则该组体系点所含该平行线对应的顶点组成的含量相同。成的含量相同。BCAbbPQR2.2.定比规则定比规则 凡位于通过顶点凡位于通过顶点(A A)的任一直线上的体系，其中顶的任一直线上的体系

7、，其中顶点代表的组元含量不同，其余两组元点代表的组元含量不同，其余两组元(B B和和C C)的的含量比含量比相相同，即：同，即：BCAaPQR)(C)(B)(C)(B)(C)(BQQPPRRcccccc 3.3.背向规则背向规则 从一个三元体系中不断取走某一组元，那么该从一个三元体系中不断取走某一组元，那么该体系的组成点将沿着原组成点与代表被取走组元的体系的组成点将沿着原组成点与代表被取走组元的顶点的连线向着背离该顶点的方向移动顶点的连线向着背离该顶点的方向移动BCAPNMWWMOON4.联线规则：新体系点必落在原体系点连线上，该联线规则：新体系点必落在原体系点连线上，该点至原体系点的距离和该

8、体系点的量成反比。点至原体系点的距离和该体系点的量成反比。BCAMON杠杆规则杠杆规则：由两个三元体系：由两个三元体系(M和和N)混合得到的新混合得到的新三元体系点三元体系点(O)一定在一定在M和和N的连线上，且满足的连线上，且满足杠杆规则：杠杆规则：NMONMWWWNOWMOW ,5重心规则：直线规则的延伸：由三个三元体系重心规则：直线规则的延伸：由三个三元体系(O、M和和N)混合得到的新三元体系点混合得到的新三元体系点(H)是是MON的质量重心。的质量重心。H点位于点位于MON的物理质心处；的物理质心处；BCAMONGH6.6.三元水盐体系相图中点、线、面的意义及自由度三元水盐体系相图中点

9、、线、面的意义及自由度A(HA(H2 2O)O)C CB BD DF FE EL LL+BL+BL+CL+CB+CB+CADEFADEF不饱和区；不饱和区；f=3-1=2f=3-1=2BDEBDE为为B B的单独结晶区；的单独结晶区；f=3-2=1f=3-2=1CEFCEF为为C C的单独结晶区的单独结晶区;f=3-2=1;f=3-2=1BCEBCE为为B B和和C C的共晶区；的共晶区；f=3-3=0f=3-3=0DEDE为为B B的溶解度曲线；的溶解度曲线；f=3-2=1f=3-2=1CECE为为C C的溶解度曲线；的溶解度曲线；f=3-2=1f=3-2=1E E点为三相点；点为三相点；f

10、=3-3=0f=3-3=0BEBE和和CECE为三相线；为三相线；f=3-3=0f=3-3=0 等边三角形表示法的确方便，唯一等边三角形表示法的确方便，唯一的缺点是必须有专用的正三角形坐标纸。的缺点是必须有专用的正三角形坐标纸。因此我们有必要介绍等腰直角三角因此我们有必要介绍等腰直角三角形表示法，形表示法，这这种坐标的读数方法和正三种坐标的读数方法和正三角形法相同。由于直角等腰三角形有斜角形法相同。由于直角等腰三角形有斜边，其刻度和直角边上不同，因此，读边，其刻度和直角边上不同，因此，读数时可只读直角边上的刻度；这种坐标数时可只读直角边上的刻度；这种坐标可以直接在直角坐标纸上标绘，十分方可以直

11、接在直角坐标纸上标绘，十分方便，面且对于近水点处的图形适当地放便，面且对于近水点处的图形适当地放大。系统大。系统M(MM(M点点)含含B30B30含含A A为为5050，水则自然为水则自然为2020。三、等腰直角三角形三、等腰直角三角形WABMM1M2205030（H2O）baWABE（H2O）ba等腰直角三角形表示法中点、线、面的意义及自由度等腰直角三角形表示法中点、线、面的意义及自由度四、直角坐标表示法四、直角坐标表示法E五、各种表示法的关系五、各种表示法的关系abABC(H2O)Emm1m2m3m4m5sl第二节第二节 简单三元水盐相图的等温蒸发分析简单三元水盐相图的等温蒸发分析体系点体

12、系点 液相点液相点 固相点固相点 mm1 mm1 m1 m1 B m1m2 m1E B m3 E A,B，m3m4 E A,B，m5 A,B，液相蒸发液相蒸发开始析出开始析出B盐盐同时析出同时析出A+B盐盐水完全蒸发，只剩下水完全蒸发，只剩下A盐盐+B盐盐开始析出开始析出A盐盐析出析出B盐盐ABASMMSEEmMMCmmCMMBllmMMCmmCMMsBmsmmmBmm;44224422一、等边三角形中的等温蒸发分析一、等边三角形中的等温蒸发分析应用此类相图可判断怎样可得固体纯盐应用此类相图可判断怎样可得固体纯盐?如有如有B和和C固体盐的混合物固体盐的混合物,问能否通过问能否通过加水使之部分溶

13、解的方法从其中获取一加水使之部分溶解的方法从其中获取一种纯盐固体种纯盐固体,能得到哪一种纯盐固体能得到哪一种纯盐固体?可可从相图加以讨论从相图加以讨论.(1)稀释法分离提纯盐稀释法分离提纯盐 设起始物系点为设起始物系点为a,向其中加水向其中加水,体系的组体系的组成沿成沿aA线向线向A方向移动方向移动.物系点在物系点在BFC区区时时,体系三相平衡共存体系三相平衡共存.到达到达b点时点时,C全部全部溶完溶完,剩下剩下B固体与溶液固体与溶液F共存共存,过滤可得过滤可得纯纯B固体盐固体盐.由图知由图知,混合盐的总组成在混合盐的总组成在B 与与M之间之间,加水可得纯加水可得纯B固体盐固体盐;在在M与与C

14、之间时加水得纯之间时加水得纯C固体盐固体盐.若正好在若正好在M点点,则加水不能得纯盐则加水不能得纯盐,因为因为B与与C同时溶完同时溶完.(2)(2)蒸发法分离提纯盐蒸发法分离提纯盐 与稀释法相反与稀释法相反.先有一不饱和溶液先有一不饱和溶液,通过等温蒸发也可得到一种纯盐通过等温蒸发也可得到一种纯盐.如图如图所示所示,物系点在物系点在AFAF之左之左,等温蒸发去水等温蒸发去水可得纯可得纯B B固体固体;在在AFAF之右之右,可得纯可得纯C;C;若刚好落在若刚好落在AFAF线上线上,则则B B与与C C同时析出同时析出.(3)(3)加盐法加盐法 开始有一不饱和溶液开始有一不饱和溶液,物系点在物系点

15、在AFAF之之左左,现欲得到纯固体现欲得到纯固体C,C,可在此不饱和可在此不饱和溶液中加溶液中加C C盐盐,待待C C溶解后仍为不饱和溶溶解后仍为不饱和溶液液,但物系点已移至但物系点已移至AFAF之右之右,用蒸发法用蒸发法即可得纯固体即可得纯固体C.C.欲得欲得C C的量最多的量最多,物系物系点要尽量靠近点要尽量靠近ACAC线，且靠近线，且靠近C C点点.同样同样,欲欲 得最大量的固体得最大量的固体B,B,物系点也要尽物系点也要尽量靠近量靠近ABAB线及线及B B点点.WABEbamm1m2m3m4m5ls二、等腰直角三角形中的等温蒸发分析二、等腰直角三角形中的等温蒸发分析BWAbapp1p2

16、p3Em三、直角坐标系中的等温蒸发分析三、直角坐标系中的等温蒸发分析BACe3e2e1ebcaE3E2E1E第三节第三节 简单三元水盐相图的立体图简单三元水盐相图的立体图一、点、线、面物理意义及自由度一、点、线、面物理意义及自由度A、B、C分别为三个纯组分；分别为三个纯组分；f=0ABC为立体图在底面的投影，属于等温相为立体图在底面的投影，属于等温相图；纵轴代表温度；图；纵轴代表温度；a，b，c分别为分别为A、B、C的熔点；的熔点；f=0三个侧面为二元体系相图；三个侧面为二元体系相图；ae3曲线为曲线为A中中B的含量增加时的含量增加时A的熔点变化的熔点变化曲线；曲线；be3则相反；则相反；ae

17、2和和be1分别为分别为A和和B的的溶解度曲线；溶解度曲线；f=2-2+1=1ce1 和和ce2为水的冰点曲线；为水的冰点曲线；f=1e1和和 e2分别为分别为BC和和AC二元水盐体系的三相二元水盐体系的三相点；点；e3为为AB的共熔点；的共熔点；f=2-3+1=0ee1、ee2、ee3分别为分别为BC、AC、AB的共饱的共饱和线；和线；f=3-3+1=1e为为ABC共饱和点；共饱和点；f=3-4+1=0 a e2ee3为为A的饱和面的饱和面;f=3-2+1=2BACe3e2e1ecba二、体（区域）的物理意义及自由度二、体（区域）的物理意义及自由度各曲面以上的区域为不饱和区；各曲面以上的区域

18、为不饱和区；f=3-1+1=3Cce1ee2为水的结冰区；为水的结冰区；Aae2ee3和和Bbe1ee3分别为分别为A和和B的单独结晶区；的单独结晶区；f=3-2+1=2ACee2、ABee3和和BCee1分别为分别为AC、AB和和BC共晶区；共晶区；f=3-3+1=1ABCe为为ABC共晶区；共晶区；f=3-4+1=0三、立体图中的冷却过程三、立体图中的冷却过程BACe3e2e1ecbamm1m2m3m4sElmm1：随温度下降，宏观无现象，各随温度下降，宏观无现象，各盐浓度增加。盐浓度增加。m1：与与B盐饱和面相交，盐饱和面相交，B盐开始饱和。盐开始饱和。m1m2：B盐单独析出，固相为盐单

19、独析出，固相为B点，点，液相沿液相沿m1l移动。移动。m2m3：B、C盐共同析出，固相沿盐共同析出，固相沿BS移动，液相沿移动，液相沿l e移动。移动。m2：液相液相与与B、C盐共饱和线相交，盐共饱和线相交，C盐开盐开始饱和。始饱和。m3：液相到达四相共饱和点液相到达四相共饱和点e，固相为，固相为S点，冰开始析出。点，冰开始析出。m3m4：冰、冰、B、C盐共同析出，固盐共同析出，固相沿相沿S m4移动，液相在移动，液相在 e点。点。m3：水分完全蒸干。水分完全蒸干。BACe3e2e1ebcaT3T2T1CABT1T2T3四、等温面切割立体图四、等温面切割立体图第四节第四节 简单三元水盐相图的多

20、温平面图简单三元水盐相图的多温平面图一、多温平面相图一、多温平面相图A(H2O)CBDFEDFE比较，与等温三元相图的比较，与等温三元相图的区别与联系，掌握图中点区别与联系，掌握图中点线面的物理意义及自由度线面的物理意义及自由度的计算。的计算。E（100）E（25）CABa1a2b2b1E1E2NMT1T2LmT1 T2二、多温平面相图中的操作分析二、多温平面相图中的操作分析盐的提纯：盐的提纯：（1）蒸发（浓缩）法）蒸发（浓缩）法（2）溶解（稀释）法）溶解（稀释）法（3）变温法）变温法三种方法结合形成循环三种方法结合形成循环图中系统点分别为图中系统点分别为T1温度下的温度下的m和和E1。E1T

21、1T2过滤过滤A盐盐T2下等温下等温蒸发至蒸发至NT2T1过滤过滤A盐盐T1下等温下等温蒸发至蒸发至M过滤过滤B盐盐剩余溶液重复上述过程剩余溶液重复上述过程继续分离继续分离AB两种盐两种盐 钾石盐是天然矿物，含钾石盐是天然矿物，含NaCl约约70、KCl约约30；近年来在我国；近年来在我国也有发现。该矿物加水后形成也有发现。该矿物加水后形成NaClKClH2O三元体系。如图所示，三元体系。如图所示，在不同温度下，该图中不同盐的相区扩缩明显。经分析选取在不同温度下，该图中不同盐的相区扩缩明显。经分析选取100制制取取NaCl，25时制取时制取KCl。三、三、钾石盐加工的相图原理钾石盐加工的相图原

22、理E100E25a100a25b100b25KDLNW（水）（水）A（NaCl）（KCl）B四、四、相平衡计算相平衡计算可分为三种：图算法、待定系数法和比值法。可分为三种：图算法、待定系数法和比值法。1、图算法：、图算法：利用杠杆规则来进行计算。利用杠杆规则来进行计算。100溶 解冷却到25过 滤过 滤钾石盐钾石盐母液循环母液循环补充水补充水NaClKCl体系体系组成组成%（质量）（质量）KClNaCl钾石盐钾石盐3070E10021.616.8D体系体系16.238N体系体系12.718.7其中其中D、N是从图中读取的，是从图中读取的，E100是从溶解度数据表中查的，钾石盐是从溶解度数据表中

23、查的，钾石盐的组成为已知。计算过程的组成为已知。计算过程 P17。待定系数法和比值法自看。待定系数法和比值法自看。第五节第五节 复杂三元水盐体系相图复杂三元水盐体系相图一、一、生成水合物的三元体系生成水合物的三元体系1、一种盐生成一种水合物的相图、一种盐生成一种水合物的相图A(H2O)CBDFEGmm1m3m5m6m2m4LNG=BnH2OBGC是三盐共存区m5m5G盐脱水形成B盐2、单盐生成单一水合物的复杂情况、单盐生成单一水合物的复杂情况 同一种盐在指定温度下能以水合物的形式结晶出来，同一种盐在指定温度下能以水合物的形式结晶出来，也可以以无水盐的形式结晶。这时相图中出现三条溶解度也可以以无

24、水盐的形式结晶。这时相图中出现三条溶解度曲线。如曲线。如25时，时，NaClNa2SO4H2O体系相图。体系相图。A(H2O)CBDFE25 EGm1m2m3m4m5m6A(H2O)DFEEBCGn1n2n3n43、等温蒸发过程分析、等温蒸发过程分析3、向量法则、向量法则向量法则是杠杆规则的进一步应用，包括如下几点：向量法则是杠杆规则的进一步应用，包括如下几点：l纯体系纯体系A中加入中加入B物质时（物质时（B物质可以是纯物质也可以是混合物），物质可以是纯物质也可以是混合物），体系的状态点向体系的状态点向B点方向变化，向量点方向变化，向量AB的长度和添加物的数量成正的长度和添加物的数量成正比。比

25、。l自体系中减去自体系中减去C物质时，体系状态点背向物质时，体系状态点背向C点的方向变化，向量点的方向变化，向量AC的长度和减去的长度和减去C物质的数量成正比。物质的数量成正比。l若体系若体系A中加入中加入B物质，同时减去物质，同时减去C物质时，体系物质时，体系A的变化是两者的的变化是两者的向量和，即：向量和，即：l若向量和为零，体系的状态点不变。若向量和为零，体系的状态点不变。ACABAD 应用向量法则可以方便地确定饱和溶液液相应用向量法则可以方便地确定饱和溶液液相点的移动方向，以及判断共饱和点的稳定性点的移动方向，以及判断共饱和点的稳定性m1m2m3m4m5m6A(H2O)DFEEBCG4、向量法则的应用、向量法则的应用