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二组分温度组成相图单双相区的经验规则

2017-05-12吕申壮乐山师范学院化学学院四川乐山614000

化工管理 2017年12期
关键词:水平线相区乐山

吕申壮(乐山师范学院 化学学院,四川 乐山 614000)

二组分温度组成相图单双相区的经验规则

吕申壮(乐山师范学院 化学学院,四川 乐山 614000)

本文对二组分温度-组成相图的单双相区提出了简单的经验规则,该规则简单易懂,根据该判据,可以从相图的特点判断哪些是单相区,哪些是两相区。

相图;单相区;两相区

研究多相系统的状态如何随温度、压力和浓度等变量的改变而发生变化,并用图形来表示系统状态的变化,这种图叫相图,相图的研究有着十分重要的实际意义,在物质的分离和提纯中,如溶解、蒸馏、结晶、萃取、凝结等过程都要用到相图。由于相图十分重要,所有的物理化学教材[1~4]都要讲解相图。对于二组分体系,根据相律,f=C-Φ+2,其最大自由度是3,即温度、压力和组成,有三个变量,完整的相图需要画立体图,而立体图不好画,人们往往固定一个变量。若保持温度不变,得到压力-组成图;若保持压力不变,得到温度-组成图;若保持组成不变,得到温度-压力图。其中最常用的是温度-组成图,在温度-组成图中,一个区域可能是一相,也可能是两相。而初学者对相应相图中哪些是一相区,哪些是两相区不易分清楚,为此,本文提出了简单的经验规则。

1 经验规则的内容

在二组分温度-组成相图中,若有水平线,则水平线是三相线,与三相线以点相邻的是一相区,以线相邻的是两相区;若没有水平线,则最上面的一个区域是单相区(对于具有最低会溶温度的部分互溶的双液系除外),以线与一相区相邻的是两相区,以线与两相区相邻的时一相区,以点与一相区相邻的仍然是一相区。

2 经验规则的部分证明

对于温度-组成相图,由于压力已经固定,若系统有三相存在,根据相律其条件自由度为 f*=C-Φ+1=2-3+1=0,说明系统的温度不能变,因此三相线是水平线,至于水平线是否一定是三相线,这可能只有在理论上存在,如理想液态混合物的气液相图,当p*A=p*B时,气液平衡线变为水平线,此时只有两个单相与水平线相邻,但这种情况在实际的相图中几乎没有。由于条件自由度为0,说明这三相中每一相的组成有确定值,由于一相区的物系点就是相点,即物系点的横坐标就是相的组成,因此一相区只能与三相线以点相邻(因为温度和组成都确定)。至于两相区,当充分接近三相线时,仍然是两相,由于两相的比例不同,体系总的组成可以改变,即物系点可以改变,所以两相区与三相线以线相邻。

3 经验规则的应用举例

3.1 有水平的相图

3.1.1 简单低共熔二元相图

图1 简单低共熔二元相图

如图1所示,CD线是水平线,属于三相线,相区1与水平线以点相邻,属于一相区;2、3、4相区与水平线以线垂直相邻,属于两相区。

3.1.2 形成稳定化合物的二元相图

如图2所示,图中CD线和EF线是水平线,都属于三相线;相区1与CD和EF都是以点相邻,属于一相区;相区2,3,6与CD线以线垂直相邻,属于两相区;相区4,5,7与EF线以线垂直相邻,属于两相区。相区3虽然与EF以点相邻,但是属于水平相邻,相区7与CD的也是水平相邻。

图2 形成稳定化合物的二元相图

3.1.3 形成不稳定化合物的二元相图

如图3所示,图中CD线和EF线是水平线,是三相线;相区1 与CD和EF都是以点相邻,属于一相区;相区2,3,5与CD线以线相邻,属于两相区;相区3,4,6与EF线以线相邻,属于两相区。

图3 形成稳定化合物的二元相图

3.1.4 复杂的相图

图4 复杂二元相图

图5 没有水平线的二元相图

如图4所示,CD、EF、GH是水平线,属于三相线,相区1与CD、EF、GH都是以点相邻,属于一相区;相区8与CD以点垂直相邻,属于一相区;相区2、4、5与GH以线垂直相邻,属于两相区;相区3与EF以线相邻,属于两相区;相区4与GH、EF都是以线垂直相邻,属于两相区;相区6、7、9与CD都是以线垂直相邻,属于两相区。

3.2 没有水平线的相图

没有水平线的相图有如图5所示的三种类型,最上面的相区(即相区1)是一相区,若是气液相图,相区1为气相,若是固液相图,相区1为液相;相区2,2‘与相区1以线相邻,是两相区,若是气液相图,是气液两相区,若是固液相图,是固液两相区;相区3与相区2或2’与线相邻,在后两个相图中与相区1以点相邻,属于一相区,若是气液相图,相区3是液相区,若是固液相图,相区3是固相区。

4 结语

对于二组分温度组成相图,根据相图的特点,提出了判断单双相区的经验规则,根据此经验规则,初学者可以轻松地判断相图中的相区属于一相区还是两相区。

[1]傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2009:272-225.

[2]印永嘉,奚正凯,张树永.物理化学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2007:142-189.

[3]傅玉普,王新平.物理化学简明教程[M].大连:大连理工大学出版社,2007:123-155.

[4]朱传征,褚莹,许海涵.物理化学[M].北京:科学出版社,

2008:163-211.

吕申壮(1964-),男(汉族),四川乐山人,教授,博士,主要从事理论化学。

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