物理化学 9章相律与相图(1-8)
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物理化学相平衡知识点相平衡一、主要概念组分数,自由度,相图,相点,露点,泡点,共熔点,(连)结线,三相线,步冷(冷却)曲线,低共熔混合物(固相完全不互溶)二、重要定律与公式本章主要要求掌握相律的使用条件和应用,单组分和双组分系统的各类典型相图特征、绘制方法和应用,利用杠杆规则进行有关计算。
1、相律: F = C - P + n, 其中:C=S-R-R’(1) 强度因素T,p可变时n=2(2) 对单组分系统:C=1, F=3-P(3) 对双组分系统:C=2,F=4-P;应用于平面相图时恒温或恒压,F=3-P。
2、相图(1)相图:相态与T,p,x的关系图,通常将有关的相变点联结而成。
(2)实验方法:实验主要是测定系统的相变点。
常用如下四种方法得到。
12对于气液平衡系统,常用方法蒸气压法和沸点法;液固(凝聚)系统,通常用热分析法和溶解度法。
3、单组分系统的典型相图对于单组分系统C =1,F =C -P +2=3-P 。
当相数P =1时,自由度数F =2最大,即为双变量系统,通常绘制蒸气压-温度(p-T )相图,见下图。
pTlBC AOsgC 'pTlBCA Os gFGD单斜硫pT液体硫BCAO正交硫硫蒸气(a) 正常相图 (b) 水的相图(c) 硫的相图图6-1 常见的单组分系统相图4、二组分系统的相图类型:恒压的t -x (y )和恒温的p -x (y )相图。
相态:气液相图和液-固(凝聚系统)相图。
(1)气液相图根据液态的互溶性分为完全互溶(细分为形3成理想混合物、最大正偏差和最大负偏差)、部分互溶(细分为有一低共溶点和有一转变温度的系统)和完全不溶(溶液完全分层)的相图。
可以作恒温下的p -x (压力-组成)图或恒压下的t -x (温度-组成)图,见图5-2和图5-3。
t = 常数液相线气相线g + llgB Apx B (y B )t = 常数g + l液相线气相线g + llgB Apx B (y B )g + lg + lt = 常数液相线气相线lgBApx B (y B )(a) 理想混合物 (b) 最大负偏差的混合物 (c) 最大正偏差的混合物 图6-2 二组分系统恒温下的典型气液p -x 相图p = 常数液相线或泡点线气相线或露点线g + llgBAtx B (y B )p = 常数g + l液相线或泡点线气相线或露点线g + llg BAtx B (y B )g + lp = 常数液相线或泡点线气相线或露点线g + llgBAtx B (y B )(a) 理想或偏差不大的混合物 (b) 具有最高恒沸点(大负偏差) (c) 具有最低恒沸点(大正偏差)B在A液层中的溶解度线A在B液层中的溶解度线最高会溶点l 1 + l 2p = 常数lBAtx B最低会溶点B在A液层中的溶解度线A在B液层中的溶解度线最高会溶点l 1 + l 2p = 常数lBAtx B DCGFOgg + l g + ll 1 + l 2p = 常数lBAtx B (y B )(d) 有最高会溶点的部分互溶系统 (e)有最高和最低会溶点的部分互溶系统 (f) 沸点与会溶点分离4x B (y B )三相线COD ( l 1 +g + l 2)l 1DC GFOgg + lg + l l 1 + l 2p = 常数l 2B Atx B (y B )三相线COD ( g + l 1 + l 2)g + l 1l 1DC GFOgg + l 2l 1 + l 2p = 常数l 2BAtg + B(l )三相线COD [ A(l ) +g + B(l ) ]DCGFOgg + A(l )A(l ) + B( l )p = 常数BAtx B (y B )(g) 液相部分互溶的典型系统 (h)液相有转沸点的部分互溶系统 (i) 液相完全不互溶的系统图6-3 二组分系统恒压下的典型气液相图(2)液-固系统相图: 通常忽略压力的影响而只考虑t -x 图。
物理化学知识点物理化学知识点概述1. 热力学定律- 第零定律:如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态,那么这两个系统之间也处于热平衡状态。
- 第一定律:能量守恒,系统内能量的变化等于热量与功的和。
- 第二定律:熵增原理,自然过程中熵总是倾向于增加。
- 第三定律:当温度趋近于绝对零度时,所有纯净物质的熵趋近于一个常数。
2. 状态方程- 理想气体状态方程:PV = nRT,其中P是压强,V是体积,n是摩尔数,R是理想气体常数,T是温度。
- 范德瓦尔斯方程:(P + a(n/V)^2)(V - nb) = nRT,修正了理想气体状态方程在高压和低温下的不足。
3. 相平衡与相图- 相律:描述不同相态之间平衡关系的数学表达。
- 相图:例如,水的相图展示了水在不同温度和压强下的固态、液态和气态的平衡关系。
4. 化学平衡- 反应速率:化学反应进行的速度,受温度、浓度、催化剂等因素影响。
- 化学平衡常数:在一定温度下,反应物和生成物浓度之比达到平衡时的常数值。
5. 电化学- 电解质:在溶液中能够产生带电粒子(离子)的物质。
- 电池:将化学能转换为电能的装置。
- 电化学系列:金属的还原性或氧化性排序。
6. 表面与胶体化学- 表面张力:液体表面分子间的相互吸引力。
- 胶体:粒子大小在1到1000纳米之间的混合物,具有特殊的表面性质。
7. 量子化学- 量子力学基础:描述微观粒子如原子、分子的行为。
- 分子轨道理论:通过分子轨道来描述分子的结构和性质。
- 电子能级:原子和分子中电子的能量状态。
8. 光谱学- 吸收光谱:分子吸收特定波长的光能,导致电子能级跃迁。
- 发射线谱:原子或分子在电子能级跃迁时发出特定波长的光。
- 核磁共振(NMR):利用核磁共振现象来研究分子结构。
9. 统计热力学- 微观状态与宏观状态:通过系统可能的微观状态数来解释宏观热力学性质。
- 玻尔兹曼分布:描述在给定温度下,粒子在不同能量状态上的分布。
物理化学相律相律相平衡研究多相系统的平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义,例如:蒸馏、重结晶、萃取及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。
相律相图(phase diagram)研究多相系统的状态如何随温度、压力和组成等强度性质变化而变化,并用图形来表示,这种图形称为相图。
相律相,指系统中宏观上看化学组成、物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。
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。
系统内相的数目用符号Φ表示。
相律气体,不论有多少种气体混合,只有一个气相。
液体,按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。
固体,一般有一种固体便有一个相。
两种固体粉末无论混合得多么均匀,仍是两个相(固态溶液除外,它是单相)。
相律1. 物种数和独立组分数系统中所含化学物质的种类数称为系统的物种数,用符号S表示;注:处于不同聚集状态的同一化学物质不能算两个物种。
如水与水蒸气两相平衡的系统,水与水蒸气属于一种化学物质,所以S=1。
相律1. 物种数和独立组分数足以确定平衡系统中所有各相的组成所需要的最少的物种数,称为独立组分数,用符号C表示。
C=S-R-R'R:独立化学平衡数;R':独立浓度限制条件。
相律R:独立化学反应例如反应:(1) C(s) + H2O(g) = CO(g) +H2(g)(2) C(s) + CO2(g) = 2CO(g)(3) CO(g) + H2O(g) = CO2(g) +H2(g) (1)–(2)=(3),独立的反应为2,R=2例如:NH 3高温下分解并达到平衡 NH 3 = N 2 + 3H 2则:n(N 2):n(H 2)=1:3,所以 R '=1 必须是在同一相中几个物质浓度之间存在的 关系,浓度归一化 条件除外 。
32CaCO (s) CaO(s)CO (g) →+← 因为CaO(s),CO 2(g)不在同一相中,所以R '=0。
1.相律的有关概念与相律表达式(1)独立组份数C=S-R-R′。
S为物种数,R为独立化学反应计量式数目。
R′ 为同一相中独立的浓度限制条件数(包括不同物种依反应计量式比例关系及离子物种电中性条件)(2)自由度数f,系指相平衡体系中相数保持不变时,所具有独立可变的强度变量数。
(3)相律内容及其数学表达式。
相律就是揭示pVT平衡系统中自由度数、独立组份数和相数三者之间的制约关系。
表达式为:f=C-Φ+2;式中(式中 2 指T、p两强度变量)当T、p中有任一固定,则表达式为:条件自由度数f*=C-Φ+1当考虑除T、p、X B以外的其他变量或相间有某种限制时,则表达式为f=C-Φ+n;(式中n≥2)(4)相律的局限性与应用的关键性。
相律是一个定性规律,它指明特定条件下该平衡系统至多存在的相数及其相应的独立变量数,但不能指明是哪些相共存?哪些性质可作为独立变量及其它们之间的定量关系?相律对单相与复相都适用,但应用相律时,首先要考察系统是否满足相律成立的条件,并确定系统的组份数。
2.单组份系统的相图与特征(1)单组份系统相律与相图:因C=1 ,故相律表达式为f=3-Φ。
显然f最小为零,Φ最多应为 3 ,因相数最少为 1 ,故自由度数最多为 2 。
相图是用几何图形来描述多相平衡系统宏观状态与T、p、X B(组成)的关系。
在单组份相图中有单相的面、两相平衡线和三相平衡的点,自由度分别为f=2、f=1、f=0。
(2)单组份相变的特征与类型。
相变是一个连续的质的飞跃。
相平衡时物质在各相中的化学势相等,相变时某些物理性质有突变。
根据物性的不同变化有一级相变和连续相变(包括二级相变等高阶相变)之分;前者广为存在如气、液、固之间转变,其特点是物质在两相中的化学势一级导数不相等,且发生有限的突变〔即〕,此类相变平衡曲线斜率符合克拉贝龙方程。
后者如氦He(Ⅰ)与He(Ⅱ)的转变。
正常状态与超导状态的转变,其特点是化学势的一级导数在相变点连续〔即V1=V2,S1=S2〕,但化学势二级导数在相变点附近则迅速变化,出现一个极大峰如;或。