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Na2CO3H2O, Na2CO37H2O, Na2CO310H2O (1)p下,与Na2CO3(aq)和冰共存的含水盐最多有几种? (2)30℃时,可与水蒸气共存的含水盐最多有几种? 解:系统由Na2CO3和H2O构成, k=2 若S=5, 但存在三个平衡关系: R=3, Na2CO3+xH2O = Na2CO3.xH2O k=2
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2013-7-31
§5.1 相律(Phase rule)
一、基本概念
1. 相
2.物种数S和组分数k ; 3. 自由度数f
二、相律:f = K – Φ + 2
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2013-7-31
一、基本概念
1.相
定义:相(phase)是指体系内部物理和化学性 质完全均匀的部分称为相。 特点: 1)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。 2)体系可以是单相和多相, 相的总数称为相数,用 表 示。
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2013-7-31
无化学反应体系:组分数 = 物种数(S) 有化学反应(R)体系:组分数 ≠ 物种数 如 ★ ★ H2(g), O2(g), H2O(g) 常温、常压下, K = 3 2000℃、常压下,2H2(g)+ O2(g) == H2和O2浓度比为2:1混合
2H2O(g)
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2013-7-31
基本要求
◆ 理解相律的意义、推导,掌握其应用;
◆ 掌握单组分系统、二组分气-液平衡系统和
二组分凝聚系统典型相图的分析和应用; ◆ 掌握用杠杆规则进行分析与计算; ◆ 了解由实验数据绘制简单相图的方法;
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2013-7-31
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2013-7-31
2 多相体系平衡的一般条件
四个平衡条件: (1)热平衡条件:设体系有Ф 个相,达到平衡时, 各相具有相同温度. T = T =……= T (2)压力平衡条件:达到平衡时各相的压力相等
P = P =……= P
(3)相平衡条件:任一物质B在各相中的化学势相等, 相变达到平衡. B = B =……=B (4) 化学平衡条件:化学变化达到平衡
2013-7-31
例2
系统中有C(s), H2O(g), CO2(g), CO(g), H2(g)共存,k=? 答:系统中有反应: (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) 其中S=5, 独立化学平衡数 R3=2, k=5– 2=3 注意:系统确定后,其组分数是确定的,物种数有一 定随意性。
电中性 [Na+]+[H+]=[Cl-]+[OH-], K=6– 2–2=2
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2013-7-31
例4 固体NaCl, KCl, NaNO3, KNO3与H2O达平衡
解:NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, H2O : S=5, NaCl+ KNO3 = NaNO3+KCl R=1, R’=0, K= 4 或 Na+ Cl-, K+ , NO3-, H2O : S=5 电中性 [Na+]+[K+]=[Cl-]+[NO3-], R’=1 K= 5– 1= 4 或 饱和水溶液,有固体存在 NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, Na+, Cl-, K+ , NO3-, H2O : S= 9, R=4: NaCl(s) Na++ Cl-,…… R’=1:电中性 [Na+]+[K+]=[Cl-]+[NO3-], K=9– 4 –1= 4
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2013-7-31
例1
NH4Cl的分解,开始只有NH4Cl
NH4Cl(s)=NH3(g) + HCl(g)
k= S – R– R’ S=3 R =1 Kp= P(NH3) × P(HCl) R´=1 P(NH3)=P(HCl) k=1
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2013-7-31
4.自由度(degrees of freedom)
自由度(degrees of freedom):确定平衡体系的状 态所必须的独立变量的数目称为自由度,用字母 f 表示。强度变量通常是: T, P, c 等。 例: ① 一杯水和一桶水:
T, p, f=2,状态相同,不用确定系统的大小;
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2013-7-31
系统确定后,其组分数是确定的
NaCl(s), Na+, Cl-, H2O ,H+ , OH-:
S=6, R=2:
NaCl(s) Na++ Cl-, H2O H+ + OH-,
R’=2: [Na+]=[Cl-], [H+]=[OH-],
② H2O(l)-H2O(g)共存系统: f=1, T,p中只有一个独立变量因 p=f(T) 。 ③NaCl(sln):T, p, c, f=3 ④ NaCl(饱和): T, p, f=2(浓度确定c=f(T))
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2013-7-31
二、 相律的推导
相律(phase rule)
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2013-7-31
例
指出含有 CaCO3(s) 、CaO(s) 、CO2(g)的体系 与CO2(g)和N2(g)的混合物达渗透平衡时的物种数、 组分数、相数和自由度数。 答: S = 4 , R = 1, R′ = 0
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)
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2013-7-31
例3 NaCl-H2O系统
NaCl,H2O: S=2, R=0, R’=0, K=2 NaCl不饱和水溶液 Na+, Cl-, H2O : S=3, R=0, R’=1: [Na+]=[Cl-], K= 3– 1=2 NaCl饱和水溶液,有NaCl(s)存在 NaCl(s), Na+, Cl-, H2O : S=4, R=1: NaCl(s) Na++ Cl-, R’=1: [Na+]=[Cl-], K= 4 – 1– 1=2
根据相平衡条件,每个组分在各相中的化学
势相等: i() = i() = … i(Φ) 共有(Φ–1)个等式,k个组分则共有k(Φ–1)个等式
f = Φ(K–1) + 2 – K(Φ–1) = k – Φ + 2
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2013-7-31
几点说明
1. 推导过程假设S种物质存在于Φ相的每一 相中,若实际情况不符合仍可适用。 *2. f=K- Φ +n ( T, P, 电场………)
引 言
相平衡是热力学在 化学领域中的重要应用 之一。研究多相体系的 平衡在化学、化工的科 研和生产中有重要的意 义,例如:溶解、蒸馏、 重结晶、萃取、提纯及 金相分析等方面都要用 到相平衡的知识。
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2013-7-31
引 言
相图(phase diagram) 表达多相体系的状态如何随 温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形,称 为相图。
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2013-7-31
1) 指定p, f = 2 – + 1= 3 – , f = 0, = 3
最多为3,与Na2CO3(aq)和冰(s)与共存的
盐只有一种。 2) 指定30℃, f = 3 – , f = 0, = 3 最多为3, 与水蒸气共存的含水盐最多有2种
B B 0 B
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2013-7-31
3. 物种数S和组分数k
物种数S:系统中所含化学物质的数量。
如:水和水蒸气, S=1
组分数k:能够表示系统组成的独立物质数。 k= S – R– R’ R: 独立的化学平衡数 R’:独立的浓度关系数
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பைடு நூலகம்
1 2 k
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c1() c2() ck()
…… …… …… ……
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Φ
c1() c2() ck()
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c1(Φ) c2(Φ) ck(Φ)
2013-7-31
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推导:
每一相中有(k–1)个浓度,共有Φ个相,必须
指定Φ(k–1)个浓度.
f = Φ ( k–1) + 2
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2013-7-31
例 说明下列平衡系统的自由度数 f =?
1)25℃,py下,与NaCl(aq)和NaCl(s)平衡共存 2)I2(s)与I2(g)平衡共存 3)开始时用任意量的HCl(g)和NH3(g)组成系统, 反应 HCl(g)+NH3(g) NH4Cl(s) 达平衡 解:1) K=2, Φ =2, 指定25℃,py, f=2–2+0=0 (饱和浓度为定值) 2) K=1, Φ =2, f = 1– 2 + 2 = 1 (p or T) 3) K=2, Φ =2(g,s),f = 2 – 2 + 2 = 2 (T, p或T,某气体浓度)