1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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 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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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。会溶温度的高低反映了一对液体间的互溶能力,可
2、以用来选择合适的萃取剂。所有平均值的连线与平衡曲线的交点为临界会溶温度。在373 K时,两层的组成分别为A和A”,称为共轭层(conjugate layers),A和A”称为共轭配对点。是共轭层组成的平均值。nA上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶的双液系上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26在 温度(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,以上是两相区。BT上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶的双液系上一内容下一
3、内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶的双液系(3)同时具有最高、最低会溶温度 如图所示是水和烟碱的溶解度图。在最低会溶温度 (约334 K)以下和在最高会溶温度 (约481K)以上,两液体可完全互溶,而在这两个温度之间只能部分互溶。CTcT形成一个完全封闭的溶度曲线,曲线之内是两液相区。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶的双液系上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26不互溶的双液系不
4、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,企图减少汞蒸气,其实是徒劳的。*B*Appp即:上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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,图中是蒸气压随温度变化的曲线。物系蒸气压曲线沸点溴苯QM429K水QN373.15K水+溴苯QO368.15K 由表可见
5、,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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26不互溶的双液系上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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/MmMmnnpp*BBB*AAAmpMmpM虽然 小,但 大,所以 也不会太小。*BpBMBm上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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,2C31*Cf12*f双变量
6、体系21*f单变量体系30*f无变量体系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。,出现转折点;,出现水平线段。据此在T-x图上标出对应的位置,得到低共熔T-x图。*1f*0f上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-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
7、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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二元相图的绘制上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-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,降温速度变慢;*12 1 21fC F0312*f 至D点,Cd(s)也开始析出,温度不变;上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-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
8、(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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二元相图的绘制上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-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,温度又继续下降,将E点标在T-x图上。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi
9、二元相图的绘制上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二元相图的绘制4 完成Bi-Cd T-x相图将A,C,E点连接,得到Bi(s)与熔液两相共存的液相组成线;将H,F,E点连接,得到Cd(s)与熔液两相共存的液相组成线;将D,E,G点连接,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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二元相图的绘制上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-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
10、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*f上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二元相图的绘制有三条多相平衡曲线1.ACE线,Bi(s)+l 共存时,熔液组成线。2.HFE线,Cd(s)+l 共存时,熔液组成线。3.BEM线,Bi(s)+Cd(s)+l 三相平衡线,三个相的组成分别由B,E,M三个点表示。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26Cd-Bi二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)+Cd(s)+l三相共存点。因为E点温度均低于A点和
11、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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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
12、)(SO)NH(424上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26简单的低共熔混合物上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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(424上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26简单的低共熔混合物图中有两个特殊点:L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。A点 冰+溶液三相共存点。溶液组成在A点以左者冷却,先析出冰;在A点
13、以右者冷却,先析出 。s)(SO)NH(424s)(SO)NH(424上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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。424
14、SO)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(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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26结晶法精制盐类上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成化合物的体系A和B两个物质可以形成两类化合物:(1)稳定化合物,包括稳定的水合物,它们有自己 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:OHFeCl23的4种水合物s)(FeC
15、l-CuCl(s)32Fe(s)-Au(s)KClCuCl2酚-苯酚OHSOH242的3种水合物上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成化合物的体系(2)不稳定化合物,没有自己的熔点,在熔点温度以下就分解为与化合物组成不同的液相和固相。属于这类体系的有:2CuCl-KCl222CaF-CaCl2Sb-AuNa-K上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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
16、似。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成稳定化合物的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成稳定水合物的相图上一内容
17、下一内容回主目录O返回2022-7-26形成不稳定化合物的相图 在 与 相图上,C是A和B生成的不稳定化合物。)A(CaF2B)(CaCl2 因为C没有自己的熔点,将C加热,到O点温度时分解成 和组成为N的熔液,所以将O点的温度称为转熔温度(peritectic temperature)。)s(CaF2 FON线也称为三相线,由A(s),C(s)和组成为N的熔液三相共存,与一般三相线不同的是:组成为N的熔液在端点,而不是在中间。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成不稳定化合物的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26形成不稳定化合物的相图 相区分析与简单二元相图类似
18、,在OIDN范围内是C(s)与熔液(L)两相共存。分别从a,b,d三个物系点冷却熔液,与线相交就有相变,依次变化次序为:LA(s)LA(s)C(s)L(N)C(s)LC(s)B(s)L(D)C(s)B(s)LA(s)LA(s)C(s)L(N)C(s)LA(s)LA(s)C(s)L(N)A(s)C(s)a线:b线:d线:希望得到纯化合物C,要将熔液浓度调节在ND之间,温度在两条三相线之间。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图 两个组分在固态和液态时能彼此按任意比例互溶而不生成化合物,也没有低共熔点,称为完全互溶固溶体。Au-Ag,Cu-Ni,Co-Ni体系属于这种
19、类型。以Au-Ag相图为例,梭形区之上是熔液单相区,之下是固体溶液(简称固溶体)单相区,梭形区内是固-液两相共存,上面是液相组成线,下面是固相组成线。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图 当物系从A点冷却,进入两相区,析出组成为B的固溶体。因为Au的熔点比Ag高,固相中含Au较多,液相中含Ag较多。继续冷却,液相组成沿 线变化,固相组成沿 线变化,在 点对应的温度以下,液相消失。21AAA21BBB2B上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图枝晶偏析 固-液两相不同于
20、气-液两相,析出晶体时,不易与熔化物建立平衡,较早析出的晶体含高熔点组分较多,形成枝晶,后析出的晶体含低熔点组分较多,填充在最早析出的枝晶之间,这种现象称为枝晶偏析。由于固相组织的不均匀性,会影响合金的性能。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图退火 为了使固相合金内部组成更均一,就把合金加热到接近熔点的温度,保持一定时间,使内部组分充分扩散,趋于均一,然后缓慢冷却,这种过程称为退火。这是金属工件制造工艺中的重要工序。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图淬火(quenching)在金属热处理过程中,使金属突然冷却,来不及发生相变,保
21、持高温时的结构状态,这种工序称为淬火。例如,某些钢铁刀具经淬火后可提高硬度。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图完全互溶固溶体出现最低点或最高点 当两种组分的粒子大小和晶体结构不完全相同时,它们的T-x图上会出现最低点或最高点。例如:等体系会出现最低点。但出现最高点的体系较少。KBr,-KCl,COKCONa3232Au-CuSb,-Ag上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26完全互溶固溶体的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图 两个组分在液态可无限混
22、溶,而在固态只能部分互溶,形成类似于部分互溶双液系的帽形区。在帽形区外,是固溶体单相,在帽形区内,是两种固溶体两相共存。属于这种类型的相图形状各异,现介绍两种类型:(1)有一低共熔点,(2)有一转熔温度。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图(1)有一低共熔点者在相图上有三个单相区:AEB线以上,熔化物(L)AJF以左,固溶体(1)BCG以右,固溶体(2)有三个两相区:AEJ区,L +(1)BEC区,L +(2)FJECG区,(1)+(2)AE,BE是液相组成线;AJ,BC是固溶体组成线;JEC线为三相共存线,即(1)、(2)和组成为E的熔液三相共存,E点为(1)
23、、(2)的低共熔点。两个固溶体彼此互溶的程度从JF和CG线上读出。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图三条步冷曲线预示的相变化为:(1)从a点开始冷却,到b点有组成为C的固溶体(1)析出,继续冷却至d以下,全部凝固为固溶体(1)。(2)从e点开始冷却,依次析出的物质为:熔液L L+(1)(1)(1)+(2)(3)从j点开始,则依次析出物质为:L L+(1)(1)+(2)+L(组成为E)(1)+(2)上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图(2)有一转熔温度者相图上有三
24、个单相区:BCA线以左,熔化物LADF区,固溶体(1)BEG以右,固溶体(2)有三个两相区BCE L+(2)ACD L+(1)FDEG (1)+(2)因这种平衡组成曲线实验较难测定,故用虚线表示。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26部分互溶固溶体的相图 一条三相线 CDE是三相线:(1)熔液(组成为C),(2)固溶体(1)(组成为D)(3)固溶体(2)(组成为E)三相共存。CDE对应的温度称为转熔温度,温度升到455K时,固溶体(1)消失,转化为组成为C的熔液和组成为E的固溶体(2)。上一内容下一内容回主目录O返回
25、2022-7-26其它常见二元相图还有一些常见的二元相图如:在图(a)中,有两个液相部分互熔的帽形区在图(b)中,固体A在不同温度下有不同晶形,那水平线称为转晶线在图(c)中,温度较低时出现两个固溶体部分互溶的帽形区,而在高温下,A和B可以完全互溶。图(d)是具有转晶温度和完全互溶出现最低点的两张相图的组合。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26其它常见二元相图上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26区域熔炼(zone melting)区域熔炼是制备高纯物质的有效方法。可以制备8个9以上的半导体材料(如硅和锗),5个9以上的有机物或将高聚物进行分级。一般是将高频加热环套在需精
26、炼的棒状材料的一端,使之局部熔化,加热环再缓慢向前推进,已熔部分重新凝固。由于杂质在固相和液相中的分布不等,用这种方法重复多次,杂质就会集中到一端,从而得到高纯物质。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26分凝系数 设杂质在固相和液相中的浓度分别为 和 ,则分凝系数 为:sClCsKlssCCK,杂质在液相中的浓度大于固相。如果加热环自左至右移动,杂质集中在右端。s1K,杂质在固相中的浓度大于液相,当加热环自左至右移动,杂质集中在左端。s1K 上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26分凝系数的情况s1K 材料中含有杂质后,使熔点降低。相图上面是熔液,下面是固体,双线区为固液两相
27、区。当加热至P点,开始熔化,杂质浓度为 。加热环移开后,组成为N的固体开始析出,杂质浓度为 。lCsC 因为 ,所以固相含杂质比原来少,杂质随加热环移动至右端。lss,1CCK 进行区域熔炼的材料都经过预提纯,杂质很少,为了能看清楚,将T-x 图的左边放大如图所示。上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26分凝系数的情况s1K 上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26分凝系数s1K 的情况 杂质熔点比提纯材料的熔点高。当组成为P的材料熔化时,液相中杂质含量为 ,当凝固时对应固体N点的杂质含量为 ,由于,所以固相中杂质含量比原来多,区域熔炼的结果,杂质集中在左端。lCsClss,1CCK 如果材料中同时含有 和 的杂质,区域熔炼结果必须“斩头去尾”,中间段才是高纯物质。1sK1sK上一内容下一内容回主目录O返回2022-7-26分凝系数s1K 的情况