
固-液二元体系相图二级相变.ppt
47页固固-液二元体系相图液二元体系相图二级相变二级相变第四节第四节 固固-液二元体系相图液二元体系相图 (solid-liqiud phase diagram) •固固-液凝聚体系的相图随压力的变化不大液凝聚体系的相图随压力的变化不大,一般情况下一般情况下,可以不可以不考虑压力的影响考虑压力的影响,故此类体系的相律可表达为故此类体系的相律可表达为:• f*=K-- +1 =3-- (1) •固固-液二元相图可以用液二元相图可以用2维平面图表示维平面图表示.•当体系的自由度为零时当体系的自由度为零时,最大相数最大相数 =3,故在二元相图中故在二元相图中,最多可最多可以有三相共存以有三相共存.•由由(1)式可知式可知,在等压条件下在等压条件下:• 单相区单相区: =1,f=2;• 两相区两相区: =2,f=1;• 三相区三相区: =3,f=0.TABgasliquidg+lsolidl+sA A与与B B的的T T--x x图:图:上部为气体;上部为气体;中部为液体;中部为液体;下部为固体下部为固体二元凝聚体系相图二元凝聚体系相图 主要介绍主要介绍: :固相完全不互溶相图固相完全不互溶相图; ;固相部分互溶相图固相部分互溶相图; ;有化合物生成的相图有化合物生成的相图; ;不稳定化合物相图不稳定化合物相图; ;二元盐水体系相图等二元盐水体系相图等. .固相完全不互溶相图固相完全不互溶相图TtATBIHP1区区 2区区 3区区 4区区1区区:熔液熔液,f=2 2区区:A(s)+l;f=1 3区区:B(s)+l;f=1 4区区:A(s)+B(s);f=1CED:三相线三相线;f=0固体固体A,B和熔液和熔液E三相达平衡三相达平衡.P点步冷曲线点步冷曲线(见见右图右图): PM 为直为直线线,M点开始析出点开始析出固体固体B,曲线斜率曲线斜率变慢变慢,至至N点体系点体系呈三相平衡呈三相平衡, f=0,曲线为平段曲线为平段,N 点点以下为两固相平以下为两固相平衡衡.MNCDE步步 冷冷 曲曲 线线1. 1. 定义:定义: 当体系当体系缓慢缓慢而而均匀均匀地冷却时,描绘地冷却时,描绘体系体系温度随时间变化温度随时间变化的曲线。
的曲线2. 2. 特点特点 当当有相变化发生有相变化发生时,温度随时间的变时,温度随时间的变化速率将发生变化,出现化速率将发生变化,出现转折转折或或水平线水平线步步 冷冷 曲曲 线线P: A和和B的混合熔液,单相的混合熔液,单相 P M a b M: 体系进入两相区体系进入两相区, 开始有相开始有相 变化发生(固态变化发生(固态B析出)析出), 在在步冷曲线上出现转折表现为步冷曲线上出现转折表现为b点点M N b c N: 体系进入三相线体系进入三相线, 固态固态A和和B 开始同时析出开始同时析出, 在熔液完全凝固前,体系一直处于三相线上的在熔液完全凝固前,体系一直处于三相线上的N点,点,故故 步冷曲线上步冷曲线上cd段均对应于段均对应于N点因三相线上点因三相线上f *=0, 故相律要求故相律要求cd段温段温度不能变化,于是在步冷曲线上表现为一段水平线度不能变化,于是在步冷曲线上表现为一段水平线 N c d N J d e TtBATIHPLL++A L++BA++BMNCDEabcdeJ步冷曲线的绘制方法步冷曲线的绘制方法1. 标明相区标明相区;•过起点作垂线,即表示体系物系点的变过起点作垂线,即表示体系物系点的变化。
注意观察体系穿越了哪些相区及三化注意观察体系穿越了哪些相区及三相线;相线;•当体系由一个相区进入另一个相区时步当体系由一个相区进入另一个相区时步冷曲线将冷曲线将发生转折发生转折;;•当体系遇到当体系遇到三相线三相线时,在步冷曲线上将时,在步冷曲线上将出现出现水平段水平段;;TtATBCDEIH1区区 2区区 3区区 4区区PMN步冷曲线步冷曲线液相组成沿液相组成沿MEME线变化线变化有化合物生成的二元合金相图有化合物生成的二元合金相图1区区:熔液熔液,f=2 2区区:A(s)+l;f=1 3区区:C(s)+l;f=1 4区区:C(s)+l;f=1 5区区:B(s)+l;f=1 6区区:A(s)+C(s);f=1 7区区:C(s)+B(s);f=1DEF:三相线三相线;f=0 A,C,熔液三相共存熔液三相共存HGI:三相线三相线;f=0, C,B,熔液三相共存熔液三相共存AGHFEDCBTOMNI1234567液固相均完全互溶的相图液固相均完全互溶的相图 TABliquidsolidl+s液相与固相均完液相与固相均完全互溶的两组分全互溶的两组分相图与双液系的相图与双液系的相图相类似。
相图相类似上方为液相;上方为液相;下方为固相;下方为固相;中间是两相区中间是两相区固相部分互溶的相图固相部分互溶的相图s1+s2liquidsolidl+sTBAPFE固相部分互溶相图有固相部分互溶相图有帽形区存在帽形区存在在帽形区体系分为两在帽形区体系分为两相如物系点相如物系点P::体系分为两个固相,体系分为两个固相,其组成分别由其组成分别由E和和F点表示此帽形区有一最高会此帽形区有一最高会熔温度 固相部分互溶的相图的变化固相部分互溶的相图的变化s1+s2liquidsolidl+sTBAs1+s2solidl+sliquidTBAs1+s2liquidTBAs1s2有固溶体生成的相图有固溶体生成的相图固溶体固溶体1: A1: A中溶有少量的中溶有少量的B, B, 此区域此区域f=2f=2固溶体固溶体2: B2: B中溶有少量的中溶有少量的A, A, 此区域此区域f=2f=2DEF: DEF: 三相线三相线, , 固溶体固溶体1,1,固溶体固溶体2, 2, 组成为组成为E E的熔液三相共存的熔液三相共存, f=0., f=0.ABDEF固固溶溶体体Ⅰ固固溶溶体体Ⅱ熔液熔液 l Ⅰ+ l Ⅱ+ l Ⅰ+ Ⅱ有不稳定化合物生成的二元相图有不稳定化合物生成的二元相图C为不稳定化合物为不稳定化合物, 当温度升高至当温度升高至H点时点时, 化合物化合物C将熔化将熔化DEF: 三相线三相线, 固体固体A, 固体固体C和熔液三相共存和熔液三相共存, f=0GHI: 三相线三相线, 固体固体B, 固体固体C和熔液和熔液(组成为组成为G)三相共存三相共存, f=0CABDEFGHI熔液熔液 lA(s)+ lB(s)+C(s)B(s)+ lA(s)+C(s)C(s)+ l含不稳定化合物二元相图形成的示意图含不稳定化合物二元相图形成的示意图当二元体系中化合物的熔点与某一组分的熔点相差太大时当二元体系中化合物的熔点与某一组分的熔点相差太大时, 则会则会形成含不稳定化合物的二元相图形成含不稳定化合物的二元相图. 如图如图: 组分组分B的熔点逐步升高时的熔点逐步升高时, 以以B为溶剂的溶液的凝固点下降曲线随着提高为溶剂的溶液的凝固点下降曲线随着提高, 当曲线不与当曲线不与C的凝的凝固点下降曲线相交时固点下降曲线相交时, 相图就会如下右图所示相图就会如下右图所示, 即为含不稳定化合即为含不稳定化合物的二元相图物的二元相图.ACBT(熔熔)ACBT(熔熔)ACBT(熔熔)二元盐水体系相图二元盐水体系相图•1区区:单相单相,熔液熔液. 2区区:两相两相,B(H2O)+l 3区区:两两相相,C(A.H2O)+l; 4区区:两相两相, C(A.H2O)+l; 5区区:两相两相,A+l; 6区区:两相两相,B+C; 7区区:两相两相,A+C. •三相线三相线:DEF; GHJ体系点为体系点为P,考察等温下蒸发考察等温下蒸发,体系体系点将水平移动至点将水平移动至Q的过程的过程.A.H2OAH2OGFEDJH5341627NIMOQKPPI段段:溶液与冰两相达平衡溶液与冰两相达平衡;IM段段:单相溶液单相溶液,浓度不断增加浓度不断增加;MN段段:溶液与含水盐达平衡溶液与含水盐达平衡;NO段段:含水盐与更浓溶液达平衡含水盐与更浓溶液达平衡;OK段段:单相单相;溶液浓度不断增加溶液浓度不断增加;KQ段:为两相区段:为两相区,纯盐纯盐A与其与其 饱和溶液达平衡饱和溶液达平衡;Q点水分蒸发完全点水分蒸发完全,体系为纯体系为纯A.phase diagram of two compounds (1)• 1区区: 单相单相,熔液熔液,f=2• 2区区: 两相两相,A2+l,f=1• 3区区: 两相两相,C+l• 4区区: 两相两相,B+l• 5区区: 两相两相,A2+C• 6区区: 两相两相,A1+C• 7区区: 两相两相,B+CSiO2Al2O3莫莱石莫莱石GHFEDINM1573264ABCMN: 三相线三相线,鳞石英鳞石英,白硅白硅石石 与莫莱石达平衡与莫莱石达平衡 IED: 三相线三相线,A2+C+l FGH: 三相线三相线,B+C+l 鳞鳞 石石 英英 A1白白 硅硅 石石 A2phase diagram of two compounds (2)固固熔熔体体 熔液熔液 l l +l +CC+lPb+lC+PbC+lMgPbC三相线:三相线: ++C(s)++l, f=0 三相线:三相线:C(s)++Pb(s)++l, f=0 phase diagram of two compounds (3)AgPbl固溶体固溶体 固固溶溶体体 ++l++ ++l三相线:三相线: ++ ++l, f=0 phase diagram of two compounds (4)BiZnCFEDHGll1+l2Zn+lZn+lBi+ZnBi+l此两组分相图中有双液相出现此两组分相图中有双液相出现, 图中帽形区为图中帽形区为l1和和l2两液相达两液相达平衡的两相区平衡的两相区, 两液相一为含两液相一为含Bi较多的溶液较多的溶液, 另一层是含另一层是含Zn较较多的液层多的液层.三相线:三相线:Zn(s)++l1++l2, f=0 三相线:三相线:Bi(s)+Zn(s)++l, f=0 phase diagram of two compounds (5)镉镉标标准准电电池池的的镉镉汞汞电电极极中中Cd的的含含量量控控制制在在5-14%之之间间, 在在常常温温下下, 由由相相图图可可知知, 体体系系处处于于两两相相区区. 故故在在一一定定温温度度下下, Cg-Hg齐齐的的成成分分不不会会收收电电极极组组成成波波动动的的影影响响,所所以以电电极极具具有有非非常常稳稳定定的的电电极极电电动动势势, 也也保保证证了了标标准准电电池池的电动势的精度的电动势的精度.298KHgCd固固溶溶体体 固固溶溶体体 两两相相共共存存两两相相共共存存HGFEDC 熔液熔液(单相单相)455K由步冷曲线绘制二元相图由步冷曲线绘制二元相图ECD含含B%604020BA80T时间时间 tT1006040200 例题:有二组分凝聚体系例题:有二组分凝聚体系相图如下相图如下:(1)标出各区的相态和自由标出各区的相态和自由度度; 列出图中的三相线和每列出图中的三相线和每条线的相态条线的相态; (2)画出画出x,y点的步冷曲线点的步冷曲线;(3)已知已知: A的固体热容比的固体热容比液体热容小液体热容小5 J.K-1.mol-1, fusSm0(A)=30 J.K-1.mol-1, 最最低共熔点温度时的溶液组低共熔点温度时的溶液组成为成为xA=0.60, 按溶液标准态按溶液标准态的规定的规定1, 求最低共熔点时求最低共熔点时溶液中溶液中A的活度系数的活度系数? 610K510K654321ABCDEFIHGy xKJ 610K510K654321ABCDEFIHGy xKJ熔液熔液, 单相单相, f=2A(s)+l, 两相两相, f=1 C(s)+l, 两相两相, f=1 B(s)+l, 两相两相, f=1A(s)+C(s), 两相两相, f=1 B(s)+C(s), 两相两相, f=1 三相线:三相线:DEF:A(s)+C(s)+l(E), f=0 GHI:C(s)+B(s)+l(G), f=0 610K510K654321ABCDEFIHGy xKJTtyx•(3) 求求A相变焓的函数表达式相变焓的函数表达式: A从固态到液态从固态到液态 • H=CpdT= CpT+I= 5T+I•代入题给数据代入题给数据: H(610K)=T S=610×30=18300 J.mol-1 •解得解得: I=15250 J•∴∴ H=15250+5TJ.mol-1 •在正常相变点在正常相变点: A(s,610K) = A(l,610K)x=1, a=1, =1•在最低共熔点在最低共熔点: A(s,510K) = A(最低共熔液最低共熔液,510K)•固液两相达平衡时:固液两相达平衡时: A(s,T) = A(solution,T)= A(l,T)++RTlna 解得解得:lnaA=-0.69736aA=0.4979由规定由规定1:aA= AxA A= aA/xA =0.4979/0.6 = 0.83 tT/Kabd•区区 域域 熔熔 炼炼 (zone melting)•在一些高科技领域需要高纯材料在一些高科技领域需要高纯材料.如半导体工业对原料纯度的如半导体工业对原料纯度的要求达到要求达到8个个9(99.999999%%)以上以上.一般化学提纯的方法根本无一般化学提纯的方法根本无法满足此要求法满足此要求,区域熔炼是制备极高纯度物质的重要方法区域熔炼是制备极高纯度物质的重要方法.•区域熔炼所依据的正是材料的相图区域熔炼所依据的正是材料的相图.由物质的相图可以确定区由物质的相图可以确定区域熔炼的具体操作工艺条件域熔炼的具体操作工艺条件.•设设A为需纯化的物质为需纯化的物质,B为杂质为杂质.由由A,B的二元相图可以判断杂质的二元相图可以判断杂质B的固的固-液两相中的分配比例液两相中的分配比例,令令:• Ks=Cs/Cl (1)•Ks称为分凝系数称为分凝系数,是杂质在固液两相中浓度之比是杂质在固液两相中浓度之比;•Cs,Cl:分别为杂质在固相和液相中的浓度分别为杂质在固相和液相中的浓度.•杂质的存在会使溶剂的熔点发生变化杂质的存在会使溶剂的熔点发生变化:• Ks>1, 溶剂的熔点升高溶剂的熔点升高;• Ks<1, 溶剂的熔点下降溶剂的熔点下降.A B→ TKs<1液相液相固相固相固固-液两相平衡液两相平衡区域熔炼原理图区域熔炼原理图如图所示如图所示: 当当Ks<1,故加入故加入B后后,A的熔点将下降的熔点将下降.设原料中杂质设原料中杂质B的初始浓度为的初始浓度为c0,升温至升温至P点点,使体系全部熔化使体系全部熔化,再再使体系冷却使体系冷却,首先结晶出来的固首先结晶出来的固体组成由体组成由N点表示点表示.很明显很明显,N点的点的杂质浓度杂质浓度c1












