物理化学-相平衡课件

2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,1,物 理 化 学,化学学院 周建敏,祝大家学习愉快，天天进步！,主讲：,联系电话:,短号：69779 办电：2923571 宅电：2981088,QQ: 530018104,电子邮箱:,2020/9/28,2,作业,第六章 作业：1、2、9、13、14 练习：3、5、6、18、19、22 第七章 作业：7、17、20、22、30、39 练习：1、11、13、21、35、37、38、40 第十章 作业： 3、4、9、13 练习：2、10、14、20 第十一章 作业：2、3、13、33、34、45、46 练习：4、9、15、32、36、43、44 第十二章 作业： 10、11、12、14 练习：5、7、9,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,3,相平衡,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,4,物理化学电子教案第六章,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,5,物理化学电子教案第六章,6-1 相律 6-2单组分系统相图 6-3二组分系统理想液态混合物的气-液平衡相图 6-4二组分真实液态混合物气液平-衡相图 6-5精馏原理 6-6二组分液态部分互溶系统及完全不互 溶系统气液平衡相图 6-7二组分固态不互溶系统液固平衡相图 6-8生成化合物的二组分凝聚系统相图 6-9 二组分固态互溶系统的液-固平衡相图 6-10三组分系统液-液平衡相图,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,6,金属和非金属材料的性能与相组成密切相关。,所以研究多相系统的相平衡有着重要的实际意义。,在化工生产中对原料和产品都要求有一定的纯度。,物理化学电子教案第六章,原料 产品,分离 提纯,结晶、蒸馏 萃取、吸收,相平衡 原理,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,7,通过相图，可以得知在某一温度、压力下，系统处于相平衡时存在哪几个相，每个相的组成如何，各个相的量之间有什么关系，以及当条件改变时，系统相变化的方向和限度。,用图解的方法研究由一种或数种物质所构成的相平衡系统的性质（如沸点、熔点、蒸汽压、溶解度等）与条件（如温度、压力及组成等） 的函数关系。我们把表示这种关系的图叫做相平衡状态图，简称相图。,物理化学电子教案第六章,或用图形表示多相体系的状态如何随浓度、温度、压力等变量的改变而发生的变化，此图形称为相图。,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,8,物理化学电子教案第六章,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,9,相律则是各种相平衡系统所遵守的共同规律，它体现出各种相平衡系统所具有的共性，根据相律可以确定对相平衡系统有影响的因素有几个，在一定条件下相平衡系统中最多可以有几个相存在等。 绘制相图时是以实验数据为依据，以相律为指导。,物理化学电子教案第六章,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,10,相图的 分类,物理化学电子教案第六章,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,11,基本要求,理解相律的推导和意义，会用相律分析系统的自由度； 掌握单组分系统、二组分 (理想和实际)系统各种类型相图(T-x-y、p-x-y)的特点和应用； 能用相律分析相图，并用杠杆规则进行计算。（指出各区、线、点的稳定相态及自由度数）,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,12, 6.1 相律,1.基本概念,3.相律的数学表达式,2.相律的推导,4.几点说明,5.相律的意义,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,13,碳酸钠和水可以形成NaCO3.H2O(s)、 NaCO3.7H2O(s)、 NaCO3.10H2O(s)三种水合物。请回答下列问题： 在常压下，该系统共存的相数最多为多少？ 在303K和常压下，与水蒸气平衡共存的含水盐最多有几种,问 题,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,14,-系统内物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分称为相。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。,气相，不论有多少种气体混合，只有一个气相。,液相，按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。,固相，一般有一种固体便有一个相。不同的固体粉末无论研的多细,混合得多么均匀，仍是不同的相,一种固体便有一个相。只有两种固体以分子状态混合成固溶体(固态溶液)除外，它是单相。, 6.1 相律-1.基本概念,相,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,15,(2)物种数 S 存在的化学物质数；,(3)(独立)组分数 C,注意：化学物质是指能够单独分离出来而且稳定存在的物质，其与聚集状态无关。,C:能够把平衡系统中各相组成都表示出来的最少化学物种数。, 6.1 -1.基本概念,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,16,R 独立的化学反应计量式数目；,(独立)组分数 C由下式定义：, 6.1 -1.基本概念,四个反应中只有两个是独立的。 R =2,例：,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,17,R包括：当规定系统中部分物种只通过化学反应由另外物种生成时，由此可能带来的同一相的组成关系；, 6.1 -1.基本概念,R 除一相中各物质的摩尔分数之和为1这个关系以外的不同物种的组成间的独立关系数。（对同相物质而言）,又称(独立的浓度限制条件数),2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,18,(4)自由度 :用以确定相平衡系统的状态可以独立改变的变量（可以是温度、压力和表示相组成的某些物质的相对含量）叫自由度。, 6.1 -1.基本概念,如,仅由 NH4HCO3 (s) 部分分解，建立如下反应平衡： NH4HCO3 (s) = NH3(g) + H2O(g) + CO2 (g),C = S - R - R=4 - 1- 2,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,19,T、P中只有一个变量 是独立改变的。T、P间有一定的函数关系。克拉佩龙方程。,（5）自由度数 F：这种变量的数目叫自由度数。 或：能够维持系统原有相数、相态不变可以独立 变化的强度变量数。, 6.1 -1.基本概念,例如：纯水在气液两相平衡时，,F=1,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,20,自由度数系统中的变量总数-关联变量的方程式数。,系统中的变量总数,系统中的变量有：,数学原理：n是个方程限制n个变量,设一平衡系统中有S种物质分布于P个相的每一相 中，且任一物质在每一相中有相同的分子形式。, 6.1 - 2.相律的推导,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,21,要确定一个相的状态，须知其T、P及该相中（S-1）种物质的相对含量 .即须知（S-1）+2个变量。,现有P个相，总变量数应为 P （S-1）+2 ，但在相平衡系统中，所有各相的T相等，P相等，所以要知整个系统的状态，只须知道系统整体的T、P及P（S-1）个相对含量的数值。即须知P（S-1）+2个变量。,因而确定系统状态的总变量数为P（S-1）+2, 6.1 - 2.相律的推导,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,22,平衡时，系统中各变量间的独立关系数,如果用1、2、3.S表示系统中的每种物质,用,P表示系统中的每个相.,(i)椐相平衡的条件,每一物质在各相中的化学势相等.,(P-1)个方程,共有S（P-1）个方程式。, 6.1 - 2.相律的推导,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,23,(ii) R 及 R,若系统中还有R个独立的化学平衡反应存在,椐化学平衡 条件, 有一个独立的化学平衡反应存在就有一个关联变量的方程式.共有R个方程式.,若还有R个独立的限制条件,则有R个方程式.,所以平衡时，关联变量的方程式数为,S（P-1）+R+ R, 6.1 - 2.相律的推导,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,24,于是,FC -P2,C = S-R-R,其中, 6.1 - 2.相律的推导,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,25, 6.1 - 3.相律的数学表达式,FC -P2,C = S - R - R,F ：自由度数 C ：组分数 2 ：温度、压力（两个变量）,Gibbs相律：相平衡体系中揭示相数、独立组分数和自由度数之间关系的规律。,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,26,：应用相律的系统，并非要求S种物质在P个相中均存在。不论事实怎样都不会影响相律的形式。,：若外界除T、P外还有其他因素（重力场，电场）,：对凝聚相物质，压力因素可忽略,若 外界T、P已确定一个 , 6.1 - 4几点说明,：相律F=C-P+2中的2是指T、P这两个变量对相平衡的影响。,F=C-P+1,如果已确定二个,F=C-P,F=C-P+1,F=C-P+n,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,27,借助相律可以确定多组分多相系统的研究方向。 相律表明：相平衡系统有几个独立变量，当独立变 量选定之后，其他变量必为这n个独立变量的函数。 尽管我们不知这些函数的具体形式。,本章中反复用到相律来讨论各种相平衡关系, 6.1 - 5相律的意义,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,28,例1,仅由 NH4Cl(s) 部分分解，建立如下反应平衡： NH4Cl (s) =NH3(g)+HCl(g) (2) 由任意量的 NH4Cl (s) 、NH3(g)、HCl(g) 建立如下反应平衡： NH4Cl (s) =NH3(g)+HCl(g) 试求(1) 、(2)两种情况下，系统的组分数 C=？ F=?,解： (1) C = S - R - R=,(2) C = S - R - R=,F = C - P + 2 =,F= C - P + 2 =,3 - 1 - 1=1,1 - 2 + 2 = 1,3 - 1 - 0 =2,2 - 2 + 2 = 2,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,29,例2,(1) 仅由CaCO3(s)部分分解，建立如下反应平衡： CaCO3 (s) = CaO(s)+CO2(g) (2) 由任意量的 CaCO3 (s) 、 CaO (s)、 CO2 (g)建立如下反应平衡： CaCO3 (s) = CaO(s)+CO2(g) 试求(1) 、(2)情况下，系统的 组分数C=？ F=?,解：(1) C = S - R - R,(2) C = S - R - R,F = C P + 2,F = C P + 2,= 3 - 1 - 0 = 2,=2 - 3 + 2 = 1,=3 - 1 - 0 = 2,=2 - 3 + 2 = 1,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,30,例3,仅由NaHCO3(s)部分分解，建立如下反应平衡： 2NaHCO3 (s) = Na2CO3(s)+CO2(g) + H2O (g) 试求系统的 组分数C = ？自由度数 F= ?,解： C = S - R - R,F = C - P + 2,=4 - 1 - 1 = 2,=2 - 3 + 2 = 1,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,31,碳酸钠和水可以形成NaCO3.H2O(s)、 NaCO3.7H2O(s)、 NaCO3.10H2O(s)三种水合物。请回答下列问题： 在常压下，该系统共存的相数最多为多少？ 在303K和常压下，与水蒸气平衡共存的含水盐最多有几种：,问题,C - P + 1,C - P =2- P = 0 P=2,C = S - R - R,=5 - 3 - 0= 2,F =,F =,最多两相共存,已有一相中水蒸气,故共存的水合物最多只能有一种.,=2- P + 1 = 0 P=3,2020/9/28,祝大家学习愉快，天天进步！,32,例4,在一个密闭抽空的容器中有过量的固体 NH4Cl，同时存在下列平衡： NH4Cl