《物理化学 9章相律与相图(9-三元系相图)(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学 9章相律与相图(9-三元系相图)(精品).ppt（45页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、9.9.三元系相图简介三元系相图简介f*=3-+1=4，min=1，f*max=3三维坐标三维坐标 等边三角立柱等边三角立柱ACBTTT等边三角形等边三角形组成三角形组成三角形三个立柱侧面三个立柱侧面二元相图面二元相图面组成三角形的边组成三角形的边二元组成二元组成组成三角形的顶点组成三角形的顶点纯组元纯组元一、三元系相图组成的表示法一、三元系相图组成的表示法1/25/2023物理化学BCAPaabbccCb=Bb=Pa：代表体系代表体系P中中A物的含量；物的含量；ba=Cc=Pb：代表体系代表体系P中中B物的含量；物的含量；Aa=cb=Pc：代表体系代表体系P中中C物的含量；物的含量；1.等含
2、量规则等含量规则一组体系点同在平行于三角形某一一组体系点同在平行于三角形某一边的线上，该则组体系中平行线对边的线上，该则组体系中平行线对应的顶点组成含量相同。应的顶点组成含量相同。BCAbbPQR1/25/2023物理化学2.定比规则定比规则凡位于通过顶点凡位于通过顶点(A)的任一直线上的的任一直线上的体系，其中顶点代表的组元含量不体系，其中顶点代表的组元含量不同，其余两组元同，其余两组元(B和和C)的的含量比含量比相相同，即：同，即：BCAaPQR3.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)混合得到的混合得到的新三元体系点新三元体系点(O)一定在一定在M和和N的连的连线上，且
3、满足线上，且满足杠杆规则：杠杆规则：BCAMON1/25/2023物理化学5.背向规则背向规则从一个三元体系中不断取走某一组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顶点的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连线向着背离该顶点的方向移动4.重心规则重心规则由三个三元体系由三个三元体系(O、M和和N)混合得混合得到的新三元体系点到的新三元体系点(H)是是MON的的质量重心。质量重心。BCAMONGHBCAP1/25/2023物理化学二、简单共晶三元系二、简单共晶三元系由三个组元两两构成简单二元共晶系组成
4、的由三个组元两两构成简单二元共晶系组成的如：如：Pb-Sn-Bi系系 Pb熔点熔点:327，Sn熔点熔点:232，Bi熔点熔点:271 Pb-Sn共晶温度共晶温度 182,共晶组成共晶组成 62%Sn (e1)Sn-Bi共晶温度共晶温度 139,共晶组成共晶组成 58%Bi (e2)Pb-Bi共晶温度共晶温度 128,共晶组成共晶组成 45%Pb (e3)Pb-Sn-Bi共晶温度共晶温度 96,共晶组成共晶组成 15%Sn,32%Pb(e)1/25/2023物理化学1.立体图立体图(1)点点,线线,面面,区分区分析析熔熔点点：三个，：三个，f*=0二元共晶二元共晶点点：三个：三个 e1，e2，
5、e3，f*=1三元共晶三元共晶点点：一个：一个e，f*=0，四相平，四相平衡共存衡共存(共晶反应共晶反应):l(e)=Pb(a)+Sn(b)+Bi(c)冷冷热热455KPbBiSne3e2e1e401K412KabcE3E2E1E1/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e401K455K412KE3E2E1E 二元共晶二元共晶线线(二次结晶二次结晶线线)：e1e：l=Sn(s)+Pb(s)e2e：l=Sn(s)+Bi(s)e3e：l=Bi(s)+Pb(s)液相液相线线：1/25/2023物理化学液相面液相面(初晶初晶面面)：三元共晶三元共晶面面：HGD，通过，通过 e 点点平行于底面
6、平行于底面PbBiSne3e2e1e401K455K412KHGD1/25/2023物理化学PbSnBiTTTe3ePbSnBiTTTe1ePbSnBiTTTe2e 二次结晶二次结晶面面：二元共晶线到三元共晶线间的线：二元共晶线到三元共晶线间的线 段，从一个组元温度轴，通过二次结晶线向另段，从一个组元温度轴，通过二次结晶线向另一个组元温度轴滑动，在空间所留下的轨迹一个组元温度轴滑动，在空间所留下的轨迹面面。1/25/2023物理化学PbSnBiTTTe1e2e3e液相液相(单相单相)区区：液相面以上的空间：液相面以上的空间区域区域；两相两相区区：3个个液相面以下，二次结晶面以上的空间液相面以下
7、，二次结晶面以上的空间区域区域；三相三相区区：3+1个个二次结晶面以下，三元共晶二次结晶面以下，三元共晶面以上面以上两个固相两个固相+液相液相三元共晶面以下三元共晶面以下 三个固相三个固相1/25/2023物理化学(2)冷却过程分析冷却过程分析x x1：熔体冷却；熔体冷却；x1：开始析出固态开始析出固态Bi，液相组成将沿液相组成将沿x1 y变化；变化；x1 y：Bi不断析出，熔不断析出，熔体和体和Bi一起冷却，液相点一起冷却，液相点和固相点沿不同路径变化；和固相点沿不同路径变化；y：同时析出固态同时析出固态Bi和和Pb，液相组成将沿液相组成将沿y e变化变化e：同时析出固态同时析出固态Sn、B
8、i和和Pb，直到液相消失，过三相共晶面后，直到液相消失，过三相共晶面后，体系继续降温到体系继续降温到x2。PbBiSne3e2e1exx1x2y1/25/2023物理化学2.投影图投影图PbBiSne3e2e1e401K455K412KE3E2E1EPbBiSnE3E1E2E1/25/2023物理化学PbBiSnE3E1E2E3.等温线投影图等温线投影图 越密，液相面越陡越密，液相面越陡4.等温截面图等温截面图PbBiSne3e2e1e1/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e若若则则PbBiSnPbBiSn1/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1ePbBiSn若若则则Pb
9、BiSne1e11/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e若若则则PbBiSne2PbBiSnMe21/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e若若则则PbBiSne3PbBiSnMe3N1/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e若若则则PbBiSnPbBiSnMNO1/25/2023物理化学PbBiSne3e2e1e若若则则PbBiSne1/25/2023物理化学5.冷却过程分析冷却过程分析EE1E2E3MNSnPbBiO析析Sn：析析Sn+Bi：KP1/25/2023物理化学三、三元水盐系相图三、三元水盐系相图水水+两种盐，且两盐有共同的一种离子两种盐，且两盐有
10、共同的一种离子1.1.纯盐纯盐(B+C)与水与水(A)体系体系纯盐：不形成共溶盐纯盐：不形成共溶盐 不形成化合物不形成化合物 不形成水合盐不形成水合盐A(H2O)CBDFED点：点：B盐在纯水中的盐在纯水中的溶解度；溶解度；F点：点：C盐在纯水中的溶解度；盐在纯水中的溶解度；E点：共饱和点（三相点）点：共饱和点（三相点）1/25/2023物理化学DE线：线：B盐在含盐在含C盐的盐的(水水)溶液中的溶解度曲线；溶液中的溶解度曲线；FE线：线：C盐在含盐在含B盐的盐的(水水)溶液中的溶解度曲线；溶液中的溶解度曲线；ADEF面：不饱和溶液（单相）；面：不饱和溶液（单相）；BDE扇面：扇面：B盐盐+溶
11、液（两相）；溶液（两相）；CFE扇面：扇面：C盐盐+溶液（两相）；溶液（两相）；BEC面：面：B盐盐+C盐盐+l(H)（三相）（三相）A(H2O)CBDFEGH1/25/2023物理化学体系点体系点 液相点液相点 固相点固相点 xx1 xx1 x1 x1 B x1x2 x1E B x2 E B，C x2Q E B，C Q B，CA(H2O)CBDFEx1xx2Q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C+B盐盐水完全蒸发，只剩下水完全蒸发，只剩下C盐盐+B盐盐1/25/2023物理化学盐的提纯：盐的提纯：（1 1）蒸发（浓缩）法）蒸发（浓缩）法（2 2）溶解（稀释）法）溶解（稀释
12、）法（3 3）变温法）变温法A(H2O)CBDFExyzRA(H2O)CBDFEDFEM三种方法结合三种方法结合形成循环形成循环1/25/2023物理化学2.形成水合物形成水合物如：如：H2O(A)-Na2SO4(B)-NaCl(C)体系体系H2O与与Na2SO4形成水合物形成水合物Na2SO410H2O（G）A(H2O)CBDFEGll+Gl+ClE+G+CB+G+C17.5 A(H2O)CBDFE25 EG1/25/2023物理化学有复盐生成的体系有复盐生成的体系 当B，C两种盐可以生成稳定的复盐D，则相图上有：一个单相区：AEFGH,为不饱和溶液三个两相区：BEF，DFG和CGH两个三相
13、区：BFD，DGC三条溶解度曲线：EF，FG，GH两个三相点：F和G 如果用AD连线将相图一分为二，则变为两个二盐一水体系。1/25/2023物理化学Na2O-Al2O3-H2O系相图系相图 铝酸钠就是铝酸钠就是NaAlO2，而：而：2NaAlO2 Na2OAl2O3 铝酸钠溶液的主体就是铝酸钠溶液的主体就是Na2O-Al2O3-H2O系系 Na2O-Al2O3-H2O 2NaOH-Al2O3我们研究我们研究铝酸钠溶液的性质首先要了解铝酸钠溶液的性质首先要了解Al2O3在在NaOH溶液中的溶解度与碱液浓度和温度的溶液中的溶解度与碱液浓度和温度的关系，以及在不同条件下，与溶液达到平衡的关系，以及
14、在不同条件下，与溶液达到平衡的固相组成固相组成Na2O-Al2O3-H2O系系平衡状态图。平衡状态图。1/25/2023物理化学Na2O-Al2O3-H2O系平衡状态图的绘制就是系平衡状态图的绘制就是通过测定通过测定Al2O3在在不同浓度不同浓度NaOH溶液中的溶液中的溶解度来完成的。而溶解度的测定有两种溶解度来完成的。而溶解度的测定有两种方式：方式：（1）定温下，将过量的氧化铝或其水合物）定温下，将过量的氧化铝或其水合物加入到一定浓度的氢氧化钠溶液之中，测出加入到一定浓度的氢氧化钠溶液之中，测出其极限溶解度；其极限溶解度；（2）定温下，使过饱和铝酸钠溶液分解，）定温下，使过饱和铝酸钠溶液分解
15、，测出溶液中氧化铝的最低极限值。测出溶液中氧化铝的最低极限值。1/25/2023物理化学 理论上说，两种方法所得到的结果应该是一致的，理论上说，两种方法所得到的结果应该是一致的，但但实际上实际上做不到做不到。因此，通常是将。因此，通常是将两种方法联合使用，两种方法联合使用，取平均值来绘制取平均值来绘制Na2O-Al2O3-H2O系平衡状态图。系平衡状态图。三元系在定温下的相图（平衡状态图）通常采用三元系在定温下的相图（平衡状态图）通常采用等边三角形表示，但是，等边三角形表示，但是，Na2O-Al2O3-H2O系可以说系可以说是考察是考察Na2O和和Al2O3在在H2O中的溶解度，所以可以转中的
16、溶解度，所以可以转化成直角三角形化成直角三角形ABCwtCwtCwtAAwtCwtBBC1/25/2023物理化学0 10 20 30 40 50 60 wt(Na2O)E (Na2OAl2O32.5H2O)90 80 70 60 50 40 30 20 10 wt(Al2O3)CD(53.5)T(65.4,三水铝石三水铝石)BH(Na2OAl2O3)K=3K=13030下的下的Na2O-Al2O3-H2O系平衡状态图系平衡状态图0B线：三水铝石在氢氧化钠线：三水铝石在氢氧化钠 溶液中的溶解度曲线；溶液中的溶解度曲线；cNaOH，三水铝石溶解度三水铝石溶解度；BC线：线：Na2OAl2O32.
17、5H2O (水合铝酸钠水合铝酸钠)在氢氧化钠在氢氧化钠 溶液中的溶解度曲线；溶液中的溶解度曲线；cNaOH，水合铝酸钠溶解度水合铝酸钠溶解度；CD线：线：NaOHH2O在在铝酸钠溶铝酸钠溶 液中的溶解度曲线；液中的溶解度曲线；C铝铝酸钠酸钠，NaOHH2O溶解度溶解度 (NaOHH2O=0.5Na2O1.5H2O)1/25/2023物理化学区：铝酸钠溶液单相区；区：铝酸钠溶液单相区；区：三水铝石区：三水铝石(Al2O33H2O)与与 铝酸钠溶液两相区；铝酸钠溶液两相区；区：水合铝酸钠与铝酸钠区：水合铝酸钠与铝酸钠 溶液两相区；溶液两相区；区：三水铝石、区：三水铝石、NaOHH2O 与铝酸钠溶液
18、三相区；与铝酸钠溶液三相区；区：区：Na2OAl2O32.5H2O与与 铝酸钠溶液、铝酸钠溶液、NaOHH2O 三相区；三相区；氧化铝生产过程就是在氧化铝生产过程就是在、两两个区域内穿梭。个区域内穿梭。E (Na2OAl2O32.5H2O)0 10 20 30 40 50 60 wt(Na2O)90 80 70 60 50 40 30 20 10 wt(Al2O3)CD(NaOHH2O)T(65.4,三水铝石三水铝石)BH(Na2OAl2O3)K=1K=31/25/2023物理化学TY越短，三水铝石越短，三水铝石（固相）越多；（固相）越多；因此，溶出时因此，溶出时Y点点越越靠近靠近y点，溶出量
19、越点，溶出量越大；种分时，大；种分时，Y点越点越远离远离y点，析出量越点，析出量越大。大。E (Na2OAl2O32.5H2O)0 10 20 30 40 50 60 wt(Na2O)90 80 70 60 50 40 30 20 10 wt(Al2O3)CD(53.5)T(65.4,三水铝石三水铝石)BH(Na2OAl2O3)K=1K=3Yy1/25/2023物理化学拜耳的两个专利是拜耳法循环的基础：拜耳的两个专利是拜耳法循环的基础：一一是在是在K=1.8的铝酸钠溶液的铝酸钠溶液(过饱和过饱和)中，常温下加中，常温下加入固体入固体 Al(OH)3 作为晶种，就可使作为晶种，就可使Al(OH)
20、3不断地从不断地从铝酸钠溶液中析出，直到溶液的铝酸钠溶液中析出，直到溶液的K提高到提高到K=6.0 构成了拜耳法的种分过程；二是析出构成了拜耳法的种分过程；二是析出 Al(OH)3 后，后，K达到达到 6.0的铝酸钠溶液在加热的条件下又可用于铝的铝酸钠溶液在加热的条件下又可用于铝土矿的溶出土矿的溶出 构成了拜耳法的溶出过程；两个过构成了拜耳法的溶出过程；两个过程交替使用就形成了拜耳法循环：程交替使用就形成了拜耳法循环：Al2O3nH2O(s)+2NaOH(aq)2NaAl(OH)4(aq)溶出溶出种分种分拜耳法循环拜耳法循环1/25/2023物理化学在在Na2O-Al2O3-H2O系相图中可找
21、到拜耳法循环路径：系相图中可找到拜耳法循环路径：ABCDwt(Na2O)wt(Al2O3)K=1.65K=3.403060200AB：高温溶出过程。高温溶出过程。200下，下，A点点铝酸钠溶液为未饱和溶液，铝酸钠溶液为未饱和溶液，溶出铝土矿，溶出铝土矿，Al2O3 含量增加，含量增加，K降低；降低；B C：赤泥分离洗涤过程。溶赤泥分离洗涤过程。溶液中增加水量，液中增加水量，Al2O3和和Na2O的的相对含量降低；相对含量降低；C D：加：加晶种分解过程。体系晶种分解过程。体系温度降低后溶液为过饱和，加晶温度降低后溶液为过饱和，加晶种后，溶液中不断析出种后，溶液中不断析出Al(OH)3，使之，使
22、之Al2O3含量降低，而含量降低，而K升升高；高；D A：母液的蒸发过程。将析母液的蒸发过程。将析出出 Al(OH)3 的溶液过滤分离之后的溶液过滤分离之后的溶液进行加热蒸发，蒸去水分，的溶液进行加热蒸发，蒸去水分，溶液回到溶出条件。溶液回到溶出条件。1/25/2023物理化学在实际生产中，由于存在在实际生产中，由于存在Al2O3和和Na2O的机械损失、的机械损失、化学损失，实际的拜耳法循环往往偏离相图中的拜化学损失，实际的拜耳法循环往往偏离相图中的拜耳法循环线，通常是在完成母液蒸发后，溶液中的耳法循环线，通常是在完成母液蒸发后，溶液中的碱浓度达不到溶出铝土矿的要求，因此，在每次作碱浓度达不到
23、溶出铝土矿的要求，因此，在每次作业循环之后需要向母液中补充业循环之后需要向母液中补充NaOH，使母液组成使母液组成达到溶出过程的要求。达到溶出过程的要求。构成拜耳法循环的四条线分别构成拜耳法循环的四条线分别称为：溶出线称为：溶出线 AB线线 稀释线稀释线 BC线线 分解线分解线 CD线线 蒸发线蒸发线 DA线线BACD溶出线溶出线稀释线稀释线分解线分解线蒸发线蒸发线1/25/2023物理化学 将三液体中有一对部分互溶的体系画成正三棱柱形立体图，纵坐标为温度，每个水平截面为正三角形组成图。温度不断升高，互溶程度加大，两液相共存的帽形区逐渐缩小，最后到达K点，成均一单相。将所有等温下的双结线连成一
24、个曲面，在这曲面之内是两相区。四、部分互溶的三元液体体系相图四、部分互溶的三元液体体系相图 T-x1，x2图图1/25/2023物理化学（1）有一对部分互溶体系醋酸（A）和氯仿（B）以及醋酸和水（C）都能无限混溶，但氯仿和水只能部分互溶。在它们组成的三组分体系相图上出现一个帽形区，在a和b之间，溶液分为两层，一层是在醋酸存在下，水在氯仿中的饱和液，如一系列a点所示；另一层是氯仿在水中的饱和液，如一系列b点所示。这对溶液称为共轭溶液。1/25/2023物理化学 在物系点为c的体系中加醋酸，物系点向A移动，到达c1时，对应的两相组成为a1和b1。由于醋酸在两层中含量不等，所以连结线a1b1不一定与
25、底边平行。继续加醋酸，使B，C两组分互溶度增加，连结线缩短，最后缩为一点，O点称为等温会溶点（isothermal consolute point），这时两层溶液界面消失，成单相。组成帽形区的aob曲线称为双结线（binoal curve）。1/25/2023物理化学 乙烯腈(A)与水(B)，乙烯腈与乙醇(C)只能部分互溶，而水与乙醇可无限混溶，在相图上出现了两个溶液分层的帽形区。帽形区之外是溶液单相区。（2）有二对部分互溶体系1/25/2023物理化学 帽形区的大小会随温度的上升而缩小。当降低温度时，帽形区扩大，甚至发生叠合。如图的中部区域是两相区，是由原来的两个帽形区叠合而成。中部区以上或
26、以下，是溶液单相区，两个区中A含量不等。1/25/2023物理化学 乙烯腈(A)-水(B)-乙醚(C)彼此都只能部分互溶，因此正三角形相图上有三个溶液分层的两相区。在帽形区以外，是完全互溶单相区。（3）有三对部分互溶体系1/25/2023物理化学 降低温度，三个帽形区扩大以至重叠。靠近顶点的三小块是单相区，绿色的三小块是三组分彼此部分互溶的两相区，中间EDF红色区是三个彼此不互溶溶液的三相区，这三个溶液的组成分别由D，E，F三点表示。在等温、等压下，D，E，F三相的浓度有定值，因为：1/25/2023物理化学萃取原理萃取原理 对沸点靠近或有共沸现象的液体混合物，可以用萃取的方法分离。对芳烃和烷
27、烃的分离，常用二乙二醇醚为萃取剂。在相图上可见，芳烃A与烷烃B完全互溶，芳烃A与萃取剂S也能互溶，而烷烃与萃取剂互溶度很小。一般根据分配系数选择合适的萃取剂。1/25/2023物理化学 将组成为F的A和B的混合物装入分液漏斗，加入萃取剂S，摇动，物系点沿FS线移动，设到达O点(根据加入S的量，由杠杆规则计算)，静置分层。萃取相的组成为 y1，蒸去S，物系点沿Sy1移动，直到G点，这时含芳烃量比F点明显提高。萃余相组成为 x1，蒸去S，物系点沿 Sx1移动，到达H点，含烷烃量比F点高。一般要进行多次萃取。1/25/2023物理化学萃取塔萃取塔 工业上，萃取是在塔中进行。塔内有多层筛板，萃取剂从塔顶加入，混合原料在塔下部输入。依靠比重不同，在上升与下降过程中充分混合，反复萃取。最后，芳烃不断溶解在萃取剂中，作为萃取相在塔底排出；脱除芳烃的烷烃作为萃余相从塔顶流出。1/25/2023物理化学