大学物理化学经典课件5-1-相.ppt

2020 3 31 物理化学BI 第五章 2020 3 31 课前指导 相律 水的相图 二组分体系的相图及其应用 包括 理想的完全互溶双液系 杠杆规则 蒸馏 或精馏 原理 非理想的完全互溶双液系 部分互溶的双液系 热分析法绘制低共熔相图 溶解度法绘制水 盐相图 形成化合物的体系及其它常见二元相图 区域熔炼等 1 本章的主要内容 2020 3 31 课前指导 理解相律的意义 推导 掌握其应用 掌握单组分系统 水的相图 掌握二组分凝聚系统典型相图的分析和应用 包括液态完全互溶固态完全不互溶生成简单共晶的二元系 固态完全互溶的二元系 液态部分互溶的二元系 固态部分互溶的二元系 共晶型 包晶型 生成化合物的二元系 组元在固态具有晶型转变 掌握用杠杆规则进行分析与计算 了解由实验数据绘制简单相图的方法 2 本章的教学要求 2020 3 31 课前指导 重点 相律及其应用 理想的完全互溶双液系的相图 杠杆规则 非理想的完全互溶双液系的相图 热分析法绘制低共熔相图 部分互溶固溶体的相图 难点 相律及其应用 杠杆规则及其应用 恒沸混合物 画步冷曲线 部分互溶固溶体的相图 3 本章的重点和难点 2020 3 31 相变是自然界普遍存在的一种突变现象 也是物理化学中充满难题和机遇的领域之一 相变现象丰富多彩 如大海里的万顷碧波 初秋早晨湖面上的袅袅轻烟和高山上的缕缕薄雾 夏天黄昏时万里云空中的朵朵彩云及冬日雪后琳琅满目的雪花和冰晶便是水的各种相态 由此可见自然界中相变的千姿百态之一斑 引言 2020 3 31 引言 相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一 研究多相体系的相平衡在化学 化工的科研和生产中有重要的意义 例如 溶解 蒸馏 重结晶 萃取 提纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识 2020 3 31 引言 研究对象 多相平衡体系研究内容 研究多相平衡体系的状态随外界条件变化而变化的规律 即温度 压力 浓度等与相态和相组成的关系 2020 3 31 引言 相图 phasediagram 表达多相体系的状态如何随温度 压力 组成等强度性质变化而变化的图形 称为相图 相律 2020 3 31 引言 1 冶金工作者的地图 2 材料设计的指导书 3 小型热力学数据库 相图重要性 2020 3 31 引言 1882年 拉乌尔得出稀溶液沸点升高和凝固点降低的规律 1887年 范特霍夫提出渗透压公式 1891年 能斯特提出分配定律 1887年 吕 查德里用铂铑热电偶测量粘土加热过程中的变化 是热分析法的开始 1919年 柯屈勒发明在上升管中达到平衡的方法 可以在气液平衡实验中精确测定沸点 1925年 斯韦托斯拉夫斯基在此基础上建立了沸点仪 1928年 奥斯默建立了第一个能有效操作的的气相循环平衡釜 开始了对混合物气液平衡的精确测定 1876年 吉布斯导出相律 奠定了相平衡的理论基础 1887年 罗彻博研究多相平衡及其分类 用相律说明了不少实际问题 才使它逐步被人们所重视 后来 施莱因梅格对相平衡原理进行了系统阐述 使之成为物理化学的重要组成部分 近代相平衡的发展 2020 3 31 5 1单组分体系的相图 单组分体系的自由度最大为2 是双变量体系 其相图可用平面图表示 即p T图 单组分体系的相数与自由度 当 1 单相 f 2 双变量体系 2 两相平衡 f 1 单变量体系 3 三相共存 f 0 无变量体系 2020 3 31 5 1 1实验作图 H2O的相平衡数据 2020 3 31 H2O的相图 2020 3 31 5 1 2相图分析 2020 3 31 水的相图 三条两相平衡线在两相平衡线上 2 f 1 压力与温度只有一个独立可变 指定了压力 温度随之而定 2020 3 31 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 临界点 在临界点液体密度与蒸气密度相等 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0K附近 OC是液 固两相平衡线 当C点延长至压力大于 温度为253k时 有其他晶型的冰生成 相图变得复杂 2020 3 31 水的相图 2020 3 31 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 气相尚未形成 体系自由度为2 既温度和压力都独立可变 2020 3 31 水的相图 2020 3 31 水的相图 3 继续降压 离开P点时 最后液滴消失 成单一气相 通常只考虑 2 的情况 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 2020 3 31 水的相图 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 H2O的三相点温度为273 16K 压力为610 62Pa O点是三相点 triplepoint 气 液 固三相共存 3 f 0三相点的温度和压力皆由体系自定 2020 3 31 O点 H2O的三相点 在20世纪30年代初这个三相点还没有公认的数据 1934年我国物理化学家黄子卿等经反复测试 测得水的三相点温度为0 00981 1954年在巴黎召开的国际温标会议确认此数据 此次会议上规定 水的三相点温度为273 16 2020 3 31 水的相图 三个单相区在气 液 固三个单相区内 1 f 2 温度和压力这两个独立可变因素在一定范围内变化不会引起相的改变 2020 3 31 Question OC线斜率为负 OB线比OA线斜率大 能否从理论上解释 2020 3 31 5 1 3单元系相图举例 碳的相图 2020 3 31 例 2020 3 31 解 1 O点是石墨 金刚石 液相共存的三相平衡点 2 OA为石墨 金刚石之间的相变温度随压力的变化线 OB为石墨的熔点随压力的变化线 OC为金刚石的熔点随压力的变化线 3 常温常压下石墨是热力学的稳定相 4 从OA线上读出2000K时约在p 65 108Pa 故转变压力为65 108Pa OA线斜率为正值 dp dT 0 而 Hm 石墨 5 2020 3 31 硫的相图 2020 3 31 CO2相图 2020 3 31 详细内容 OA线为CO2的液 固平衡曲线 即CO2的熔点随压力的变化曲线 它与H2O的相图中的OA线不同 它是向右倾斜 曲线的斜率为正值 表明随压力增加 CO2固体的熔点升高 OB线为CO2的固 气两相平衡曲线 即CO2固体的升华曲线 OC线为CO2的液 气平衡曲线 即液体CO2的蒸气压曲线 该线至C点为止 C点为CO2的临界点 临界温度为31 06 C 临界压力为7 39MPa 超过临界点C之后 CO2的气 液界面消失 系统性质均一 处于此状态的CO2称为超临界CO2流体 图中的阴影部分 即为超临界CO2流体 OA OB OC的交点O则为CO2的三相点 三相点的温度为 56 6 C 压力为0 518MPa 图中虚线上的数值为CO2在不同温度 压力下的体积质量值 2020 3 31 超临界CO2流体的应用 超临界流体萃取技术 利用超临界流体的萃取分离是新近发展起来的高新技术 超临界流体由于具有较高的体积质量 故有较好的溶解性能 做萃取剂 萃取效率高 且降压后 萃取剂气化 所剩被溶解物质即被分离出来 而超临界CO2流体其体积质量几乎是最大的 因此最适宜作超临界萃取剂 优点如下 i 由于超临界CO2流体体积质量大 临界点时其体积质量为448kg m 3 且随压力增加其体积质量增加很快 故对许多有机物溶解能力很强 另方面从上图中可以看出 在临界点附近压力和温度微小变化可显著改变CO2的体积质量 相应影响其溶解能力 所以通过改变萃取操作参数 T p 很容易调节其溶解性能 提高产品纯度 增大萃取效率 ii CO2临界温度为31 06 C 所以CO2萃取可在接近室温下完成整个分离工作 特别适用于热敏性和化学不稳定性天然产物的分离 iii 与其它有机萃取剂相比 CO2既便宜 又容易制取 iv CO2无毒 惰性 易于分离 v CO2临界压力适中 易于实现工业化