简单二元系统相图的绘制

实验指导书实验二二元合金相图的绘制一、实验目的1. 学会用热分析法测绘Sn-Bi二元合金相图；2. 了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法；3. 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状的异同，学习相变点的温度的确定方法。

二、实验设备及材料1.仪器设备（1）立式加热炉1台（2）冷却保温炉1台（3）长图自动平衡记录仪（4）电压调压器1台（5）镍铬-镍硅热电偶1副（6）样品坩埚2个（7）硬质玻璃样品管2只（8）烧杯(250mL) 2个（9）0.1g精度电子天平1台。

2. 药品（1）Sn（化学纯）（2）Bi（化学纯）（3）石腊油（4）石墨粉三、实验原理测绘金属相图常用的实验方法是热分析法。

其原理是将一种金属或合金熔融后使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。

当熔融体在均匀冷却过程中无相变时其温度将连续均匀下降，得到一光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系放出相变潜热与自然冷却时体系散发掉的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度即为该组成合金的相变温度。

利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来就可绘出相图。

二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图4-1所示的形状。

用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。

此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度，但严重过冷现象却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。

见图4-2。

遇此情况可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。

四、实验步骤1.热电偶的制备取60cm长的镍铬丝和镍硅丝各一段，将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好，将其一端与镍硅丝的一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm)，将扭合头稍稍加热立即沾以硼砂粉，并用小火熔化，然后放在高温焰上小心烧结，直到扭头熔成一光滑的小珠，冷却后将硼砂玻璃层除去。

实验 二元合金相图的绘制与应用一、目的要求1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法3、掌握微电脑控制器的使用方法4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法二、基本原理相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。

对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。

热分析方法与步冷曲线热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。

将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。

若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。

若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。

测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。

这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示：Bi-Cd 合金冷却曲线曲线1、5是纯物质的步冷曲线。

当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-Ø+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下T /℃t降。

曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。

与纯物质的步冷曲线不同。

系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。

物理化学实验报告班级：姓名：学号：实验日期：2019年5月18日实验名称：二元合金相图的绘制一、实验目的（一）学习热分析法绘制相图的基本原理（二）加深对相变过程的认识和理解二、实验原理热分析法是一种常用的绘制相图方法。

由于一切相变过程都伴随着热的吸收或放出，因此将系统均匀加热或冷却时，若不发生相变，则温度T随时间t变化的T-t 曲线是光滑的，即温度随时间的变化率是连续的；当系统发生相变化时，其T-t曲线就会出现转折点或平台，其温度随时间的变化率会发生突跃。

把这种温度随时间变化的T-t曲线称为步冷曲线。

步冷曲线上的转折点或平台对应的温度就是开始发生相变化的温度。

根据多个组成不同的二组分系统的步冷曲线即可绘制出相图。

图2.9.1(b)就是一种常见的二组分简单低共熔物系的相图。

所谓简单低共熔物系是指两种不同物质在固态互不相溶（即彼此不生成固溶体），这两种物质也不生成化合物。

Pb-Sn二元凝聚物系相图就属于简单低共熔混合物系相图。

对于纯物质而言，当把它冷却到凝固点时，其步冷曲线上会出现一个水平段。

二组分液态混合物系的凝固过程并不是在一个温度点上完成的。

在凝固过程中，随着某个纯固体组分的析出，溶液的组成会不断发生变化，所以它的凝固点（即二相平衡温度）也会发生不断变化。

与此同时，由于凝固过程是放热的，即系统在对外放热的同时也会得到部分热量的补充，所以其温度降低速度会明显放慢，其步冷曲线上会出现一个拐点。

步冷曲线上的拐点与相图中的点有一一对应的关系。

在实验过程中需要注意以下几点：(1)因为待绘制的相图是平衡状态图，故实验过程中被测系统需时时处于或接近于平衡状态。

所以在系统冷却时，冷却速度应足够缓慢。

冷却过程中应尽量保持环境状况前后一致，不要搅拌，也不要晃动温度探头或样品管。

(2)实验过程中，待测样品的实际组成应与标签一致。

如果实验过程中样品未混合均匀或部分样品发生了氧化，则实验结果就误差越大。

(3)测得的温度值必须能真正反映系统的温度。

实验一 简单二元系统相图的绘制一、目的与要求：1．用热分析法测绘P b -S n 二元金属相图。

2．了解热分析法的测量技术与热电偶测量温度的方式。

二、原理：相图是多相体系处于相平衡状态时体系的某物理性质（如温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的图形，图中能反映出相平衡的情况（相对数量及性质等），故称为相图。

二元或多元体系的相图常以组成为自变量其物理性质则大多取温度。

由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质和多相体系相平衡情况的转变，都要用到相图。

图1-1是一种类型的二元简单低共熔物相图，图中A 、B 表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T ，横轴是组分B 的百分含量B%，在acb 线的上方，体系只有一个相（液相）存在，在ecf 以下，体系有二个相（晶体A 和B ）存在，在ace 包围的面积中，一个固相（A ）和一个液相（A 在B 中的饱和熔化物）共存，在bef 所包围的面积中，也是一个固相（B ）和一个液相（B 和A 中的饱和熔化物）共存。

图中C 是ace 与bef 两个相区的交点，有三相（晶相A 、晶相B 、饱和熔化物）共存。

所以测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。

常常利用的方式就是热分析实验法。

热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度，将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一按时间读体系温度一次，所以得历次温度值对时间作图，得一曲线，一般称为步冷曲线或冷却曲线。

H P 5 G A B t T T B%a b c ef1 2 3 4 图1-2 图1-1在冷却进程中，若体系发生相变，就伴随着必然热效应，因此步冷曲线的斜率发生转变而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点子，若图1-2是图1-1中组成为P的体系步冷曲线，则点二、3就别离相当于相图中的点G、H。

因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，求出各转折点，即能画出二元体系的最简单相图（对复杂的相图，还必需配合其它方式，方能画出）。

二元气液平衡相图的绘制一、实验目的：1、定不同组成的环己烷—乙醇溶液的沸点及气、液两相的平衡浓度，由此绘制其沸点—组成图。

2、握爱贝斯折射仪的原理及使用方法。

二、实验原理：了解二元溶液的沸点—组成图，对两组分的分离—精馏有指导意义。

本实验室用回流冷凝法测定不同浓度的环己烷—乙醇溶液的沸点和气、液两相的组成，从而绘制T-x图。

图1为环己烷—乙醇的沸点—组成的大致形状，ADC和BEC为气相线，AD’C和DE’C为液相线。

他们表明了沸点和气、液组成个关系。

当体系总组成为x的溶液开始沸腾时，气象组成为y，继续蒸馏，则气相量增加，液相量相应减少（总量不变），溶液温度上升，由于回流作用，控制了两相的量为一定，其沸点也为一定，此时气相组成为y’，与其平衡的液相组成为x’，体系的平衡沸点为t沸，此时气液两相的量服从杠杆原理。

当压力一定时，对两项共存区进行相律分析：独立组分数K=2，相数P=2，所以自由度f=K-P+1=2-2+1=1这说明，若体系温度一定，气、液两相成分就已确定，当总量一定时由杠杆原理可知，两相的量也一定，反之，在一定实验装置汇总，用利用回流的方法，控制气液两相的相对量为一定，使体系的温度一定，则气液组成一定。

用精密温度计可以测出平衡温度，取出气液两相样品测定其折射率可以求出其组成。

因为折射率和组成由一一对应的关系，则可以通过测定仪系列一直组成的样品折射率，会出工作曲线即折射率—组成曲线。

这样，只要测出样品的折射率就可从工作曲线上找到未知样品的组成。

三、 仪器和药品仪器：阿贝折射仪、超级恒温槽、蒸馏瓶、调压变压器、1/10°C 刻度温度计、25ml 移液管一支、5ml 、10ml 移液管各两支、锥形瓶四个、滴管若干支。

药品：环己烷、乙醇、丙酮。

四、实验步骤1、 工作曲线的测定 把超级恒温槽调至25°C ，用橡皮管连接好恒温槽与阿贝折射仪，使恒温水流经折射仪。

准确配置下列溶t/℃图6—1 沸点—组成图液，测定纯环己烷，乙醇和下列溶液的折射率，并测定溶液温度。

大学化学实验II实验报告——物理化学实验学院：化工学院专业：班级：姓名实验日期实验时间学号指导教师同组人实验项目名称二元液系相图的绘制实验目的1.掌握阿贝折射仪的使用方法。

1、学习常压下完全互溶双液系气-液平衡相图的绘制。

实验原理两种液体物质混合而成的两组分体系称为双液系。

根据两组分间溶解度的不同，可分为完全互溶、部分互溶和完全不互溶三种情况。

两种挥发性液体混合形成完全互溶体系时，如果该两组分的蒸气压不同，则混合物的组成与平衡时气相的组成不同。

当压力保持一定，混合物沸点与两组分的相对含量有关。

恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图（T－x），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为3类：（1）一般偏差：混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图(a)所示。

（2）最大负偏差：存在一个最小蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都小，混合物存在着最高沸点，如盐酸—水体系，如图(b)所示。

（3）最大正偏差：存在一个最大蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都大，混合物存在着最低沸点如图(c)）所示。

二组分真实液态混合物气—液平衡相图（T-x图）后两种情况为具有恒沸点的双液系相图。

它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同，因而不能象第一类那样通过反复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离，而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。

为了测定双液系的T－x相图，需在气－液平衡后，同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。

本实验以环己烷－乙醇为体系，该体系属于上述第三种类型，在沸点仪中蒸馏不同组成的混合物，测定其沸点及相应的气、液二相的组成，即可作出T－x相图。

tAtAtAtB tBtBt/oCt/oCt/oCxBxBxBA B A AB B(a)(b)(c)x'x'本实验中两相的成分分析均采用折光率法测定：折光率是物质的一个特征数值，它与物质的浓度及温度有关，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。

实验6 二元液系相图第次课 4 学时实验6 二元液系相图一、实验目的1. 用回流冷凝法测定常压下环己烷—异丙醇的气液平衡数据，绘制二元液系T～x 图，确定系统恒沸组成及恒沸温度。

2. 学会阿贝折光仪的使用。

二、实验原理在常温下，两种液态物质以任意比例相互溶解所组成的系统为完全互溶系统。

在恒定的压力下，表示溶液沸点与组成的图称之为沸点－组成图。

完全互溶双液系恒定压力下的沸点－组成图可以分成三类：⑴溶液沸点介于两纯组分沸点之间(图6－1)⑵溶液存在最低沸点(图6－2)⑶溶液存在最高沸点(图6－3)。

t/ ℃ p=常数 t/ ℃ p=常数t/ ℃ p=常数g g gt1l llA xG xLxB→ B A xB→B A xB→ B图(6－1) 图(6－2) 图(6－3)图(6－2)、图(6－3)有时被称为具有恒沸点的双液系。

和图(6－1)根本的区别在于，系统处于恒沸点时气、液两相的组成相同。

因而不能象第一类那样通过反复蒸馏而使两种组分完全分离。

如果进行简单的反复蒸馏只能得到某一纯组分和组成为恒沸点相应组成的混合物。

如果要获得两纯组分需要采用其它的方法。

系统的最高或最低恒沸点即为恒沸温度，恒沸温度对应的组成为恒沸组成。

异丙醇－环己烷双液系属于具有最低恒沸点一类的系统。

为了绘制沸点－组成图，可采用不同的方法。

化学方法和物理的方法，相对而言物理的方法具有简捷、准确的特点。

本实验是利用回流及分析的方法来绘制相图。

取不同组成的溶液在沸点仪中回流，测定其沸点及气、液相组成沸点数据可直接由温度计获得，气、液相组成可通过测定其折光率，然后由组成－折光率曲线中最后确定。

三、仪器和试剂蒸馏瓶 1套；调压器 1台；温度计( 50～100℃，1/10) 1支；阿贝折光仪 1台；长取样管 1支；短取样管 1支；25ml移液管 3支；电吹风机 1台；环己烷(A.R) 1瓶；异丙醇(A.R) 1瓶四、实验步骤1. 用阿贝折光仪测定纯环己烷、异丙醇及标准混合物样品的折光率。

1 表示方法1.1 二元系统概述二元系统是含有两个组元(C=2)的系统，如：CaO—SiO2系统，Na2O—SiO2系统等。

根据相律F=C-P+2=4-P,由于所讨论的系统至少应有一个相，所以系统最大自由度数为3，即独立变量除温度、压力外，还要考虑组元的浓度。

对于三个变量的系统，必须用三个坐标的立体模型来表示。

但是，在通常情况下，硅酸盐系统是凝聚系统，可以不考虑压力的改变对系统相平衡的影响，此时相律可以下式表示：F=C-P+1在后面所要讨论的二元、三元、四元系统都是凝聚系统，不再做特别说明。

对于二元凝聚系统：F=C-P+1=3-P当Pmin=1时，Fmax=2；当Pmax=3，Fmin=0可见，在二元凝聚系统中平衡共存的相数最多为三个，最大自由度数为2，这两个自由度就是指温度（T）和两组元中任一组元的浓度（X）。

因此二元凝聚系统相图仍然可以用平面图来表示，即以温度一组成图表示。

1.2 二元系统组成表示法二元系统相图中横坐标表示系统的组成，因此又称为组成轴。

组成轴的两个端点分别表示两个纯组元，中间任意一点都表示由这两个组元组成的一个二元系统。

假设二元系统由AB两组元构成，则两个端点A和B分别表示纯A和纯B。

组成轴分为100等份，从A点到B点，B的含量由0%增加到100%，A的含量由100%减少到0%；从B点到A点则相反。

如图7-24。

AB之间的任意点都是由AB组成的二元系统，如图中的m点是由30%的A和70%的B组成的二元系统。

在相图中组成可以用质量百分数表示，也可以用摩尔百分数或摩尔分数表示，其图形有明显差别，应加以注意，纵坐标表示温度，又称为温度轴。

相图中的任意一点既代表一定的组成又表示系统所处的温度，如M点表示组成为30%的A和70%的B的系统处于T1温度。

由于在二元凝聚系统中温度和组成一定，系统的状态就确定了，所以相图中的每一点都和系统的一个状态相对应，即为状态点。

2 杠杆规则2.1 杠杆规则推导杠杆规则是相图分析中一个重要的规则，它可以计算在一定条件下，系统中平衡各相间的数量关系。

Sn—Bi二元金属相图的绘制（热电势法）一、试验目的1.用金属相图（步冷曲线法）试验加热装置10A型、JX-3DA金属相图测量装置测定Pb-Sn体系的步冷曲线，绘制相图。

2.掌握热电势法测定金属相图的方法。

3.学习双元相图的绘制。

二、试验原理相图：用图形表示多相平衡体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化的图称为相图或状态图。

用热分析法可绘制相图，测绘一系列不同组成的金属混合物的步冷线，然后把各步冷曲线上物态变化的温度绘在温度—组成图上，即把图中各步冷曲线的转折点和水平段所对应的温度用．表示在温度—组成图中，即得到该体系的相图。

液相完全互溶的二组分体系，在凝固时有的能完全互溶成为固溶体，有的仅部分互溶，如本实验的Bi—Sn体系。

本实验用热电偶作为感温元件，自动平衡电位差计测量各样晶冷却过程中的热电势，作出电位—时间曲线(步冷曲线)，再由热电偶的工作曲线找出相变温度，从而作出Bi-Sn体系的相图。

三、试验试剂与仪器锡粉，铋粉，石墨粉；托盘天平，电脑。

金属相图（步冷曲线法）试验加热装置10A型JX-3DA金属相图测量装置四、实验步骤（一）：准备工作1．配制样品：分别配制含Bi 0%,10%, 20%,40%,58%,70%,85%,100%的Bi-Sn 混合物共40g,放入加热炉中，按热电偶序号依次插入样品中。

2．调节[10A型控制仪]使加热炉为第1档。

3．调节[3DA控制仪]。

按[设置]荧屏显示A，调节加热终点温度270℃。

4．按[设置]显示B，调节保温温度为0℃。

5．按[设置]显示C，调节升温温度为30℃。

6．按[设置]键，让状态指示灯灭。

7．按[温度切换]开关，观察各个热电偶的初始温度并记录。

（二）：测量工作1．开启计算机，双击“金属相图”软件。

打开[打开串口]键，使热电偶各个温度显示在窗口。

2、打开[参数设置]，设置[时间参数]40，设置[最大温度参数]400，设置[最小温度] 0。

实验六步冷曲线法绘制二元合金相图实验六步冷曲线法绘制二元合金相图一、目的要求1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。

2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。

二、实验原理1.相图相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。

由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。

由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。

2.热分析法测绘步冷曲线热分析法是绘制相图常用的基本方法。

其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。

记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图6－1）。

从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。

当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。

对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图6－1所示。

图6－1(a) 图6－1(b) 图6－1(c)图6－1(a)体系是单组分体系。

在冷却过程中，在a～a1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。

冷却到a1时，达到物质的凝固点，有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。

由DSC 曲线绘制二元相图
绘制二元相图，用两个纯组分和4个x B 分别约为0.2、0.4、0.6和0.8的混合物进行DSC 测量就足够。

DSC 升温速率不应大于5K/min 。

图6.13为以5K/min 升温速率测量的乙酰对氨苯乙醚即非那西汀（PA ）和苯甲酰胺（BA ）共熔体系五个不同配比混合物的DSC 曲线。

非那西汀（PA ）和苯甲酰胺（BA ）的质量配比分别为：PA （mg ）:BA （mg ）=2.378:0.031、2.215:0.189、2.540:1.043、0.843:2.036、0.078:2.257。

由于第一次升温曲线上可能出现假象（脉冲峰，因组分未完全混合），所以采用第二次升温曲线。

图
将图6.13中DSC 曲线的非那西汀/苯甲酰胺共熔峰的熔融焓与x B 作图，线性外推得到共熔体组成。

还包含了纯组分的零值。

见图6.14非那西汀/苯甲酰胺共熔峰的熔融焓与x B 的关系。

由图6.13DSC曲线得到固相线温度（共熔物熔点）和液相线点（各化合物熔点＋纯非那西汀熔点134.4°C＋纯苯甲酰胺的熔点27.5°C），由图6.14得到共熔体组成。

于是可绘制如图6.14所示的非那西汀/苯甲酰胺的共熔相图。