5 溶液-相平衡学习资料
合集下载
第五章 相平衡
衡时的p－x相图如右图
g
A
xB
B
三、二组分气－液平衡系统
例题二：在p=101.3 kPa，85℃时，由甲苯(A)及苯(B)组成的 二组分液态混合物即达到沸腾。该液态混合物可视为理想液 态混合物。试计算该理想液态混合物在101.3 kPa及85℃沸腾 时的液相组成及气相组成。已知85℃时纯甲苯和纯苯的饱和 蒸气压分别为46.00 kPa和116.9 kPa。
b、具有最低会溶温度的系统 如H2O－(C2H5)3N系统 TB＝291K
c、具有两种会溶温度的系统 如H2O－(C2H5)3N系统 曲线内为两相共存 曲线外是互溶单相区
d、不具有两种会溶温度的系统 如H2O－乙醚系统
T/K
291
H2O x
481
T/K
(C2H5)3N
333
H2O x
烟碱
五、二组分液－固平衡系统
pA*
p pA pB pA* xA pB* xB
pA* (1 xB) pB* xB
pB* pA* xB pA*
A
xB
B
压力与液相组成图（T一定）
设A在气相中的摩尔分数为yA，B为yB，则有
yA
pA p
pA* xA p
yB
pB p
pB* xB p
yA pA* xA yB pB* xB
继续降低压力至D，气液达到平衡
此时，液相组成为C点
p T一定 a
气相组成为E点
C点和E点称为相点 CE称为联结线
继续降低压力至F
pA*
CN
D
F
pB*
EM
此时，液相已经全部蒸发
气相组成为F点 继续降低压力
气相的简单状态变化
化工热力学第五章 相平衡
热平衡
力平衡
化学位相等
温度： T p 压力： y 组成： i
i 1, 2, 3, N
V 相：
i=1,2,....,N 相L i=1,2, ....,N
T 温度： 压力：p 组成：x i
ˆ f ˆ fi i
在一定温度T，压力p下处于平衡状态的多相多组分 系统中，任一组分i在各相中的分逸度必定相等。
方 法 EOS 法
V i
i
s i s i i i
法
p
汽液平衡 计算公式
ˆ ˆ yi xi
V i
L i
Vi L ˆ pyi p x exp dp s RT p
i
1.不需要标准态， 2.只需要选择 EOS，不需要相平衡数据； 3.易采用对比态原理； 优点 4.可用于临界区和近临界区。
1. 活度系数方程和相应的系数较全； 2. 温度的影响主要反应在对 f i
L
上，对
i 的影响不大；
3. 适用于多种类型的溶液， 包括聚合物、 电解质系统。
1. EOS 需要同时适用于汽液两相，难度大； 1. 需要其他方法求取偏摩尔体积，进而 2. 需要搭配使用混合规则， 且其影响较大； 缺点 3. 对极性物系，大分子化合物和电解质系 统难于应用。 4. 基本上需要二元交互作用参数 kij，且 kij 也需要用实验数据回归。 适用 范围 原则上可适用于各种压力下的汽液平衡，但 更常用于中、高压汽液平衡 中、 低压下的汽液平衡， 当缺乏中压汽液 平衡数据时，中压下使用很困难。 求算摩尔体积； 2. 需要确定标准态； 3. 对含有超临界组分的系统应用不便， 在临界区使用困难。
第五章 相平衡
5.1.2相律
所谓相律，就是在相平衡状态下，系统的变量之间存在一定互相依赖 的 关系。这种关系，是多组分多相平衡系统都必须遵循的规律。
第5章 相 平 衡
相与相：明显界面；机械方法可分开；
宏观界面性质突变；与物质量无关。
相数：体系中所含相的数目，记为P。
自然界中物质有三种存在形态（s，l，g）
气态：一般能无限混合 ——单相
液态：完全互溶 —— 单相
不完全互溶 —— 多相
固态：一般不能互溶 —— 多相
固溶体 —— 单相
2. 组分和组分数
组分(元，Component)，也称独立组分(元) 描述体系中各相组成所需最少的、能独立存在 的物质(讨论问题方便)。
溜冰人在冰刀上产生的压强为：
mg 60 9.8 p2 1.575 108 / Pa 2 As 2 1.867 10 6
p1 1.01325 105 / Pa源自T1 273.16 / K
trs H m T2 ln 来计算：T2=262.19K ◎用 p trsVm T1 trs H m T ◎用 p 来计算：T2=261.96K trsVm T1
1． 点、线、面的意义 线：两相平衡，为单变量系 —— P = 2 f =1 OA：液(水)-气(水蒸气)平衡线，水蒸气压曲线 p = 22088.85kPa C p 临界点 A T = 647K 水 OF ：过冷水-水蒸气平衡 p2 不稳定 p1 冰 O F 水蒸气 OB：固(冰)-气(水蒸气) 平衡,冰升华曲线 B OC：固(冰)-液(水)平衡，
trs H m | trs H m | | trs H m | dp p 2 dT T trsVm TVm, g RT
dlnp | trs H m | 或 dT RT 2
| trs H m | 1 1 p2 ln ( ) p1 R T2 T1
| trs H m | p A' ln B' B' p RT T | trs H m | p B' A lg B p 2.303RT 2.303 T
物理化学 第五章 相平衡
第五章 相平衡
一、基本概念和公式 （一）几个基本概念 1. 相和相数 （1）相 (phase) 系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。 特点 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）相数 (number of phase) 系统中相的总数称为相数，用 表示。 气体:
（三）二组分系统的相图及应用
(3) 同时具有最高、最低会溶温度 （4） 不具有会溶温度
（三）二组分系统的相图及应用
4. 不互溶双液系 (1) 特点 如果A，B 两种液体彼此互溶程度极小，以致可忽略 不计。则A与B共存时，各组分的蒸气压与单独存在时一 样，液面上的总蒸气压等于两纯组分饱和蒸气压之和。 * * 即： p pA pB 当两种液体共存时，不管其相对数量如何，其 总蒸气压恒大于任一组分的蒸气压，而沸点则恒低 于任一组分的沸点。 (2) 水蒸气蒸馏
CaF2 ( A)
0 .6
0 .8
1 .0 CaCl2 ( B)
（三）二组分系统的相图及应用
(3) 相合熔点 A和B形成的化合物有确定的熔点，完全熔化时不 分解，在熔点时液相和固相的组成相同，所以稳定化 合物的熔点称为相合熔点。 (4) 不相合熔点 因为C没有自己的熔点，将C加热，到O点温 度时分解成 CaF2 (s) 和组成为B的熔液，所以将O点 的温度称为转熔温度（peritectic temperature）也 叫异成分熔点或不相合熔点。
（四）三组分系统的相图及其应用
(d) 如果代表两个三个组分 系统的D点和E点，混合成新 系统的物系点O必定落在DE 连线上。哪个物系含量多， O点就靠近哪个物系点。 O点的位置可用 杠杆规则求算。
mD OD mE OE
一、基本概念和公式 （一）几个基本概念 1. 相和相数 （1）相 (phase) 系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。 特点 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）相数 (number of phase) 系统中相的总数称为相数，用 表示。 气体:
（三）二组分系统的相图及应用
(3) 同时具有最高、最低会溶温度 （4） 不具有会溶温度
（三）二组分系统的相图及应用
4. 不互溶双液系 (1) 特点 如果A，B 两种液体彼此互溶程度极小，以致可忽略 不计。则A与B共存时，各组分的蒸气压与单独存在时一 样，液面上的总蒸气压等于两纯组分饱和蒸气压之和。 * * 即： p pA pB 当两种液体共存时，不管其相对数量如何，其 总蒸气压恒大于任一组分的蒸气压，而沸点则恒低 于任一组分的沸点。 (2) 水蒸气蒸馏
CaF2 ( A)
0 .6
0 .8
1 .0 CaCl2 ( B)
（三）二组分系统的相图及应用
(3) 相合熔点 A和B形成的化合物有确定的熔点，完全熔化时不 分解，在熔点时液相和固相的组成相同，所以稳定化 合物的熔点称为相合熔点。 (4) 不相合熔点 因为C没有自己的熔点，将C加热，到O点温 度时分解成 CaF2 (s) 和组成为B的熔液，所以将O点 的温度称为转熔温度（peritectic temperature）也 叫异成分熔点或不相合熔点。
（四）三组分系统的相图及其应用
(d) 如果代表两个三个组分 系统的D点和E点，混合成新 系统的物系点O必定落在DE 连线上。哪个物系含量多， O点就靠近哪个物系点。 O点的位置可用 杠杆规则求算。
mD OD mE OE
第5章- 相平衡
(1) CO H2O CO2 H2
1 (2) CO O 2 CO 2 2 1 (3) H 2 O 2 H 2O 2
这三个反应中只有两个是独立的，所以 R=2
独立组分数：C＝ S – R – R′
浓度限制条件：R′ 例如，在真空容器中发生如下反应：
2NH3 (g) N2 (g) 3H2 (g)
第五章
相平衡
相数的确定
系统中相的总数称为相数，用 表示。
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（固溶体除外，它是单相）；
自由度
确定平衡系统的状态（既不产生新相也不消失
* nA (g) pA * nB (g) pB
2、 工业应用：水蒸气蒸馏
简单的低共熔二元相图
1.0Bi
a
A
0.4Cd 1.0Cd 0.2Cd 0.7Cd b c d e H A'
F
p
A
H 596
熔化物（单相）
546
C
F
T /K
C
B
413
D D' E
G
M
熔化物+Cd(s)
G E 413 Bi(s)+熔化物 D BBi
0.2
0.4
0.6
0.8
wCd
1 Cd
Cd-Bi二元相图的绘制
Cd-Bi二元相图的绘制
w(Cd) 0.2
的步冷曲线
b
T /K
f* 2
C
D
f * 1
1. 加热到b点,Bi-Cd全部熔化 Φ 1 f * 2 1 Φ 2 温度可以下降,组成也可变 2. 冷至C点,固体Bi开始析出 Φ 2 f * 2 1 Φ 1 温度可以下降 3.D点固体Bi、Cd同时析出
1 (2) CO O 2 CO 2 2 1 (3) H 2 O 2 H 2O 2
这三个反应中只有两个是独立的，所以 R=2
独立组分数：C＝ S – R – R′
浓度限制条件：R′ 例如，在真空容器中发生如下反应：
2NH3 (g) N2 (g) 3H2 (g)
第五章
相平衡
相数的确定
系统中相的总数称为相数，用 表示。
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（固溶体除外，它是单相）；
自由度
确定平衡系统的状态（既不产生新相也不消失
* nA (g) pA * nB (g) pB
2、 工业应用：水蒸气蒸馏
简单的低共熔二元相图
1.0Bi
a
A
0.4Cd 1.0Cd 0.2Cd 0.7Cd b c d e H A'
F
p
A
H 596
熔化物（单相）
546
C
F
T /K
C
B
413
D D' E
G
M
熔化物+Cd(s)
G E 413 Bi(s)+熔化物 D BBi
0.2
0.4
0.6
0.8
wCd
1 Cd
Cd-Bi二元相图的绘制
Cd-Bi二元相图的绘制
w(Cd) 0.2
的步冷曲线
b
T /K
f* 2
C
D
f * 1
1. 加热到b点,Bi-Cd全部熔化 Φ 1 f * 2 1 Φ 2 温度可以下降,组成也可变 2. 冷至C点,固体Bi开始析出 Φ 2 f * 2 1 Φ 1 温度可以下降 3.D点固体Bi、Cd同时析出
第五章 相平衡(10个)
第五章 相平衡一、本章基本要求1．掌握相、组分数和自由度的意义。
2．了解相律的推导过程及其在相图中的应用。
3．了解克劳修斯—克拉珀龙方程式的推导，掌握其在单组分两相平衡系统中的应用。
4．掌握各种相图中点、线及面的意义。
5．根据相图能够画出步冷曲线，或由一系列步冷曲线绘制相图.6．掌握杠杆规则在相图中的应用.7．结合二组分气液平衡相图，了解蒸馏与精馏的原理。
8．对三组分系统，了解水盐系统的应用,相图在萃取过程中的应用及分配定律的应用。
二、 基本公式和内容提要（一）基本公式相律的普遍形式：f K n =-Φ+ 克拉珀龙方程：mm d ln d V T H T p ∆∆= 克劳修斯—克拉珀龙方程的各种形式:微分式： 2m vap d ln d RT H T p ∆= vap m H ∆与温度无关或温度变化范围较小vap m H ∆可视为常数，定积分:vap m 211211ln ()H p p R T T ∆=- 不定积分式：vap mln H p C RT ∆=-+ 特鲁顿规则：K)J/(mol 88b mvap ⋅≈∆T H杠杆规则：以系统点为支点,与之对应的两个相点为作用点，有如下关系:1122()()n x x n x x -=-其中n 1 、n 2 分别表示平衡两相的摩尔数，x 、x 1、x 2分别表示系统的组成及其对应的平衡两相的组成。
（二）内容提要1．单组分系统 单组分系统相律的一般表达式为：f =1－Φ+2=3－Φ图5-1 水的相图可见单组分系统最多只能有三相平衡共存，并且最多有两个独立变量，一般可选择温度和压力。
水的相图为单组分系统中的最简单相图之一。
图5—1中三条曲线将平面划分成固、液及气相三个区.单相区内f =2。
AB 、AD 和AE 分别表示气液、气固和固液两相平衡线。
两相共存时f =1.虚线AC表示应该结冰而未结冰的过冷水与水蒸气平衡共存。
A 点为三相点，这时f =0，水以气、液、固三相共存。
物理化学：相平衡
第五章 相平衡
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：溶化、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。
一、基本概念
第一节 相律
1、 相（phase） 体系内部物理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。体系中相的总数 称为相数，用Φ表示。
三、自由度数（f）
自由度: 确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量的
数目称为自由度，用字母 f 表示。这些强度变量通常是
压力、温度和浓度等。
以水为例〔注意是商量平衡态〕∶ a. 当φ=1时，例如液态水的T、p可在肯定范围内改变， φ不变 ∴ f=2 b. 当φ=2时，例如气－液平衡，指定p外，则Tb确定； 而指定T，则水有确定的平衡蒸气压p，∴ f=1 c. 当φ=3时，即气－液－固三相平衡共存时〔三相点〕，T、 p是确定的〔273.16K、6.1×102Pa、由水的性质所决定〕， ∴ f=0，如果变化T或p，则不可能三相共存〔即φ≠3〕。
一、水的相图 水的相图是依据实验绘制的。图上有：
水 的 相 图
(1) 气、液、固单相区∶f=1－1＋2=2
(2) 两相平衡线∶
f=1－2＋2=1
OC线∶气－液平衡
T与液态水的饱和蒸气压p蒸气的关系
或沸点Tb与p外的关系
OA线∶液－固平衡 凝固点Tf与p外的关系
OB线∶气－固平衡
T与冰的饱和蒸气压p蒸气的关系
dp/dT=ΔHm / T·ΔVm 此方程适合于任何纯物质的两相平衡
2、对于气－液或气－固两相平衡体系 近似处理∶a. 假设蒸气遵守理想气体状态方程
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：溶化、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。
一、基本概念
第一节 相律
1、 相（phase） 体系内部物理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。体系中相的总数 称为相数，用Φ表示。
三、自由度数（f）
自由度: 确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量的
数目称为自由度，用字母 f 表示。这些强度变量通常是
压力、温度和浓度等。
以水为例〔注意是商量平衡态〕∶ a. 当φ=1时，例如液态水的T、p可在肯定范围内改变， φ不变 ∴ f=2 b. 当φ=2时，例如气－液平衡，指定p外，则Tb确定； 而指定T，则水有确定的平衡蒸气压p，∴ f=1 c. 当φ=3时，即气－液－固三相平衡共存时〔三相点〕，T、 p是确定的〔273.16K、6.1×102Pa、由水的性质所决定〕， ∴ f=0，如果变化T或p，则不可能三相共存〔即φ≠3〕。
一、水的相图 水的相图是依据实验绘制的。图上有：
水 的 相 图
(1) 气、液、固单相区∶f=1－1＋2=2
(2) 两相平衡线∶
f=1－2＋2=1
OC线∶气－液平衡
T与液态水的饱和蒸气压p蒸气的关系
或沸点Tb与p外的关系
OA线∶液－固平衡 凝固点Tf与p外的关系
OB线∶气－固平衡
T与冰的饱和蒸气压p蒸气的关系
dp/dT=ΔHm / T·ΔVm 此方程适合于任何纯物质的两相平衡
2、对于气－液或气－固两相平衡体系 近似处理∶a. 假设蒸气遵守理想气体状态方程
物理化学第5章相平衡
（3） 保持组成不变，得 T-p 图 不常用。
（2） 保持压力不变，得 T-x 图 常用
这三个变量通常是T，p 和组成 x。所以要表示二组分系统状态图，需用三个坐标的立体图表示。
一. 合金体系 1、相图绘制—— 热分析法 §5.7 具有简单低共熔混合物的固液二组分系统 Cd-Bi二元相图
①对拉乌尔定律有较大正偏差：
在T-x图上就有最低点，这最低点称为最低恒沸点
最低恒沸混合物是混合物而不是化合物，它的组成在定压下有定值。
在标准压力下， 的最低恒沸点温度为351.28 K，含乙醇 95.57 。
改变压力，最低恒沸点的温度也改变，它的组成也随之改变。
属于此类的系统有：
5.8 有化合物生成的固液二组分系统
5.4 完全互溶的双液系统
5.2 单组分系统的克-克方程
5.9 三组分系统
5.7 具有简单低共熔混合物的固液二组分系统
5.1 相律
5.3 水的相图
第五章 相平衡
相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一 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：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 相律（phase rule）；相图（phase diagram）
2、分析相图
区：图上有4个相区 （ 1） AEH线之上， 熔液(l)单相区 （2） ABE之内， Bi(s)+ l 两相区 （3） HEM之内， Cd(s)+ l 两相区 （4）BEM线以下， Bi(s)+Cd(s)两相区
线：有三条多相平衡曲线
（1)ACE线，Bi(s)+熔液 共存时的熔液组成线。
组成为F的气体冷到E
有组成为x1的液体出现
（2） 保持压力不变，得 T-x 图 常用
这三个变量通常是T，p 和组成 x。所以要表示二组分系统状态图，需用三个坐标的立体图表示。
一. 合金体系 1、相图绘制—— 热分析法 §5.7 具有简单低共熔混合物的固液二组分系统 Cd-Bi二元相图
①对拉乌尔定律有较大正偏差：
在T-x图上就有最低点，这最低点称为最低恒沸点
最低恒沸混合物是混合物而不是化合物，它的组成在定压下有定值。
在标准压力下， 的最低恒沸点温度为351.28 K，含乙醇 95.57 。
改变压力，最低恒沸点的温度也改变，它的组成也随之改变。
属于此类的系统有：
5.8 有化合物生成的固液二组分系统
5.4 完全互溶的双液系统
5.2 单组分系统的克-克方程
5.9 三组分系统
5.7 具有简单低共熔混合物的固液二组分系统
5.1 相律
5.3 水的相图
第五章 相平衡
相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一 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：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 相律（phase rule）；相图（phase diagram）
2、分析相图
区：图上有4个相区 （ 1） AEH线之上， 熔液(l)单相区 （2） ABE之内， Bi(s)+ l 两相区 （3） HEM之内， Cd(s)+ l 两相区 （4）BEM线以下， Bi(s)+Cd(s)两相区
线：有三条多相平衡曲线
（1)ACE线，Bi(s)+熔液 共存时的熔液组成线。
组成为F的气体冷到E
有组成为x1的液体出现
《相平衡和溶液》课件
溶液的分类
总结词
根据溶质和溶剂的种类，溶液可以分为不同的类型，如饱和溶液、不饱和溶液、 稀溶液和浓溶液等。
详细描述
根据溶质和溶剂的种类，溶液可以分为不同的类型。例如，根据溶质能否继续溶 解于溶剂中，可以将溶液分为饱和溶液和不饱和溶液；根据溶液中溶质的浓度， 可以将溶液分为稀溶液和浓溶液。
溶液的物理性质
相平衡和溶液理论在食品添加剂的制备中也有应用，如乳化剂、增稠剂、调味剂等。这些 添加剂的制备需要控制不同相之间的平衡，以确保产品的稳定性和有效性。
食品包装材料
相平衡和溶液理论还应用于食品包装材料的研发，通过控制包装材料的成分在不同相之间 的分布，提高材料的阻隔性能、透明度、柔韧性等特性，以满足食品包装的要求。
未来研究方向和展望
跨学科合作与交流
未来，相平衡和溶液研究需要进一步加强跨学科的合作与交流，促进不同领域之间的融 合和创新。
新理论和新方法的发展
随着科学技术的不断进步，研究者们需要发展新的理论和方法，以更深入地揭示相平衡 和溶液的内在机制。
应用前景的拓展
相平衡和溶液研究在能源、环境、化工和生物医学等领域具有广泛的应用前景。未来， 需要加强应用基础研究，为解决实际问题提供科学依据和技术支持。
生物相容性材料
相平衡和溶液理论还应用于生物相容性材料的研发，如人工关节、血管、牙齿等。这些材料需要在人体 内与组织液保持良好的相平衡，以保证材料的稳定性和安全性。
05
相平衡和溶液的前沿研究
相平衡研究的新进展
相平衡研究的理论 模型
近年来，研究者们不断探索新 的理论模型，以更准确地描述 相平衡现象。这些模型包括分 子动力学模拟、统计力学方法 和人工智能算法等。
THANK YOU
物理化学 第5章 相平衡
水的相图是根据实验绘制的。 图上有： 1、三个单相区 在气、液、固三 个单相区内， φ=1, f =2，温 度和压力独立地有限度地变化不会 引起相的改变。 COA以上区域——单一液相区“水” BOA以下区域——单一气相区“水蒸气” BOC以左区域——单一固相区“冰”
2、三条两相平衡线, φ=2 , f =1 ，压力与温度只能 改变一个，指定了压力，则温度随之而定。 OA 是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它 不能任意延长，终止于临界点。临界点 T 647 K , p 2.2107 Pa ，这时气-液界面消失。 高于临界温度，不能用加压的方法 使气体液化。 OB 是气-固两相平衡线，即 冰的升华曲线，理论上可延长 至0 K附近。 OC 是液-固两相平衡线，当C点延长至压力大于 2 108 Pa 时，相图变得复杂，有不同结构的冰生成。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。 3、一个三相点 （triple point）， O点 是气-液-固三 相共存点， φ=3，f=0 三相 点的温度和压力皆由系统自 定。
dp S m dT Vm
由于 因此:
H m S m T dp H m dT T Vm
克拉佩龙方程
适用于纯物质的任意两相平衡
(1)对气-液两相平衡
dp H m dT T Vm
RT Vm Vg Vl Vg p
d ln p vap H m 2 dT RT
T T TF
(2)压力平衡条件：达到平衡时各相的压力相等
p p pF
（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
2、三条两相平衡线, φ=2 , f =1 ，压力与温度只能 改变一个，指定了压力，则温度随之而定。 OA 是气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它 不能任意延长，终止于临界点。临界点 T 647 K , p 2.2107 Pa ，这时气-液界面消失。 高于临界温度，不能用加压的方法 使气体液化。 OB 是气-固两相平衡线，即 冰的升华曲线，理论上可延长 至0 K附近。 OC 是液-固两相平衡线，当C点延长至压力大于 2 108 Pa 时，相图变得复杂，有不同结构的冰生成。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的蒸 气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定状 态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。 3、一个三相点 （triple point）， O点 是气-液-固三 相共存点， φ=3，f=0 三相 点的温度和压力皆由系统自 定。
dp S m dT Vm
由于 因此:
H m S m T dp H m dT T Vm
克拉佩龙方程
适用于纯物质的任意两相平衡
(1)对气-液两相平衡
dp H m dT T Vm
RT Vm Vg Vl Vg p
d ln p vap H m 2 dT RT
T T TF
(2)压力平衡条件：达到平衡时各相的压力相等
p p pF
（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
物理化学(第五版) 演示文稿4-5 理想液态混合物和溶液的相平衡
解: 以100g混合物为计算基准
mFe
xFe
M Fe
mFe M Fe
mMn M Mn
99.00 / 55.85 99.00 1.00 55.85 54.93
0.9898
x(Fe)=0.9898； x(Mn)=0.0102 p(Fe)=p*Fe x(Fe)=133.3Pa 0.99=132Pa p(Mn)=p*Mn x(Mn)=101325Pa0.0102=1033Pa p = p(Fe) + p(Mn)=1165Pa y(Fe)=p(Fe)/p=132Pa/1165Pa=0.113 y(Mn) =1-0.113 = 0.887
T
b
T
b
T
b
T
b
当溶液很稀时， -lnxA= -ln(1-xB) xB ，
而且当 Tb与Tb* 相差不大时， TbTb* Tb* 2
又令 Tb = Tb – Tb* , 则：
xB
vap H m ,A R(Tb* )2
Tb
对于稀溶液：
xB = nB / nA= nBMA / mA = bBMA
RT ln
pA* p
A
A (g) A
RT ln
pA p
* A
A
半透膜
pA* pA
* A
A
称为渗透压，阻止水分子渗透必须外加的最小压力。
若外加压力大于渗透压，水分子向纯水方渗透，
称为反渗透，可用于海水淡化、污水处理等。
Π cBRT —范特荷夫公式
（仅适用于稀溶液）
诺贝尔化学奖
首位得主
van't Hoff (1852-1911) , 荷兰
A(g, T, p)
物理化学答案——第五章-相平衡[1]
![物理化学答案——第五章-相平衡[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/0243f86d58fafab069dc0265.png)
第五章 相平衡一、基本公式和内容提要基本公式1. 克劳修斯—克拉贝龙方程m mH dp dT T V ∆=∆相相（克拉贝龙方程，适用于任何纯物质的两相平衡） 2ln m H d p dT RT∆=相（克劳修斯—克拉贝龙方程，适用与其中一相为气相，且服从理想气体状态方程的两相间平衡）2.特鲁顿(Trouton)规则1188vap mvap m bH S J mol k T --∆=∆≈⋅⋅（T b 为该液体的正常沸点）3.相律 f+Φ=C+n C=S-R-R ′f+Φ=C+2 (最普遍形式)f* +Φ=C+1 (若温度和压力有一个固定，f * 称为“条件自由度”)*4. Ehrenfest 方程2112()p p C C dp dT TV αα-=-（C p ，α为各相的恒压热容，膨胀系数） 基本概念1． 相：体系中物理性质和化学性质完全均匀的部分，用Φ表示。
相的数目叫相数。
2． 独立组分数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。
3． 自由度：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，用字母 f 表示。
单组分体系相图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。
单组分体系，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 。
在单组分相图中，（如图5-1，水的相图）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。
两相平衡线的斜率可由克拉贝龙方程求得。
图5-1二组分体系相图根据相律表达式f＝C－Φ＋2＝4－Φ，可知f最小为零，则Φ最多为 4 ，而相数最少为 1 ，故自由度最多为 3 。
为能在平面上显示二组分系统的状态，往往固定温度或压力，绘制压力-组成（p-x、y）图或温度-组成（T-x、y）图，故此时相律表达式为f*＝3－Φ，自然f*最小为 0 ，Φ最多为 3，所以在二组分平面图上最多出现三相共存。
第五章____相平衡5.2
§5.5
二组分系统的相图及应用
T，p , x1, y1。
两组分系统的特征
C=2, f =4 -, ≥ 1，R = 0, R’ = 0 则 f ≤ 3。
（1） T不变，得 p-x 图 （2） P不变，得 T-x 图 （3） x不变，得 T-p 图
一、理想的二组分液态混合物 ——完全互溶的双液系 1. 理想混合物的恒温相图p-x图
相点
系统点
液相线
• 点, 线, 区的含义 及各状态下自由 度数; T一定 • 会读系统总组成 g p 与相组成 ; yA yB pA pB 气相线 xA xB 相点 l 结线 •理想液态混合 物的气 - 液平衡
蒸气压组成相图
A和B均满足 pB = p*B xB
液相线 p-xB 线，直线 成对出现 气相线 p-yB 线(在液相线之下) p 两线交点 A pB 液相面 L 液相线以上 气相面 V 气相线以下 气液共存面 L + V 气相线和液相线之间
p
pB ( pB pA ) yB pA pB
以 p 对 yB 作图, 可得一曲线, 即压力-组成图上的气相线.
1. 理想混合物的恒温相图p-x 图
p / Pa
气相线： p ～ y， 恒温下蒸 气压随气 相组成的 变化。
pA pB p pB ( pB pA ) yB
p
* A
* pB
气相线
B
xA
A
1. 理想混合物的恒温相图p-x 图
p / Pa
p pA pB
液相线
p
p / Pa
* A
* pA
* pB
pA p xA
化工原理第五章气液相平衡
mE485023.94 p 20.26
从气相分析 y*＝mx＝23.94×0.01＝0.24<y＝0.3
故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。 【结论】增大压力（30℃，101.3kPa→202.6kPa）有 利于吸收。
2021/7/31
2021/7/31
2、相平衡的理论依据 对单组分物理吸收的物系，根据相律：
F＝K－Φ＋2＝3－2＋2＝3
（K＝3，溶质A，惰性组分B，溶剂S，Φ＝2，气、
液两相）
【结论】在温度T、总压P和气、液相组成共4个变量
中，有3个自变量（独立变量），另1个是它们的函
数。即：
yfT 、 P 、 x
2021/7/31
mE p
P——气相中的总压，kPa。
2021/7/31
若气、液相组成均用摩尔比表示，可推得：
Y* mX 1(1m)X
当液相组成 X 很小时，则：
Y* mX
式中 X—液相中溶质的摩尔比； Y* —与液相组成X相平衡的气相中溶质的摩尔
比。
2021/7/31
三、相平衡关系在吸收过程中的应用
1、判断过程进行的方向 发生吸收过程的充分必要条件是：
3.6 9
4.06
4.44
4.81
5.14
5.42
5.70
5.96
6.37
6.72
6.96
7.08
7.10
CH 2.2 2.6
4
7
2
3. 0 1
3.4 1
3.81
4.18
4.55
4.92
5.27
5.58
5.85
6.34
6.75
6.91
7.01
从气相分析 y*＝mx＝23.94×0.01＝0.24<y＝0.3
故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。 【结论】增大压力（30℃，101.3kPa→202.6kPa）有 利于吸收。
2021/7/31
2021/7/31
2、相平衡的理论依据 对单组分物理吸收的物系，根据相律：
F＝K－Φ＋2＝3－2＋2＝3
（K＝3，溶质A，惰性组分B，溶剂S，Φ＝2，气、
液两相）
【结论】在温度T、总压P和气、液相组成共4个变量
中，有3个自变量（独立变量），另1个是它们的函
数。即：
yfT 、 P 、 x
2021/7/31
mE p
P——气相中的总压，kPa。
2021/7/31
若气、液相组成均用摩尔比表示，可推得：
Y* mX 1(1m)X
当液相组成 X 很小时，则：
Y* mX
式中 X—液相中溶质的摩尔比； Y* —与液相组成X相平衡的气相中溶质的摩尔
比。
2021/7/31
三、相平衡关系在吸收过程中的应用
1、判断过程进行的方向 发生吸收过程的充分必要条件是：
3.6 9
4.06
4.44
4.81
5.14
5.42
5.70
5.96
6.37
6.72
6.96
7.08
7.10
CH 2.2 2.6
4
7
2
3. 0 1
3.4 1
3.81
4.18
4.55
4.92
5.27
5.58
5.85
6.34
6.75
6.91
7.01
第五章水溶液中酸碱平衡和配位平衡-1
溶剂 酸 乙酸 苯 氯仿 萘 水 凝固点(℃) K凝(K·kg·mol-1) 沸点(℃) K沸(K·kg·mol-1) 17 5.48 -63.5 80 0 3.9 5.12 4.68 6.8 1.86 118.1 80.2 62.3 100.0 2.93 2.53 3.63 0.51
例2 纯苯的凝固点为5.40℃，0.322g萘溶于80g苯，配 制成的溶液的凝固点为5.24℃。已知苯的K凝值为5.12， 求萘的摩尔质量。
i c R T
Tb K b m i Tf K f m i
强电解质溶液浓度越低，越接近于“全部电离”？
强电解质溶液中的离子氛
溶解机理
离子氛
总结
稀溶液的依数性
• 只与溶液浓度有关，与溶质种类无关； 只与溶液浓度有关 与溶质种类无关； • 根本原因是溶液比纯溶剂蒸气压下降；
•桑拿为什么பைடு நூலகம்(缺氧)? 为什么夏天的雨天叫桑拿天?
• 凝固--温度降低，液体分子平均动能下降，分子间
滑动停止，失去流动性形成固体；发生凝固的温度 为该物质的凝固点；
• 熔化--温度升高，固体变成了液体；对应的温度为 该物质的熔点。 • 物质熔点的高低主要取决于物质内部微粒之间的 相互作用力--范德华力、氢键； • 升华--直接由固态变为气态的过程； • 凝华--气态分子也会撞击固体的表面并在其表面停
第5章 水溶液中的酸碱和配位平衡
上海交通大学化学化工学院 大学化学教研室
学习目标
• 了解水的结构和性质； • 掌握水的相图、稀溶液的依数性： 掌握水的相图 稀溶液的依数性 蒸汽压下降（水的饱和
蒸气压、相对湿度）、沸点升高、凝固点下降、渗透压
• 熟悉各种酸碱理论对于酸 熟悉各种酸碱理论对于酸、碱的定义及弱电解质解离 碱的定义及弱电解质解离 平衡的计算，能够用合适的公式计算各种体系的pH值； • 掌握缓冲溶液的组成、原理和计算； 掌握缓冲溶液的组成 原 和计算 • 熟练掌握各种体系下沉淀的生成、溶解及沉淀平衡的 移动； • 掌握配位化合物结构，简单认识配位平衡；
例2 纯苯的凝固点为5.40℃，0.322g萘溶于80g苯，配 制成的溶液的凝固点为5.24℃。已知苯的K凝值为5.12， 求萘的摩尔质量。
i c R T
Tb K b m i Tf K f m i
强电解质溶液浓度越低，越接近于“全部电离”？
强电解质溶液中的离子氛
溶解机理
离子氛
总结
稀溶液的依数性
• 只与溶液浓度有关，与溶质种类无关； 只与溶液浓度有关 与溶质种类无关； • 根本原因是溶液比纯溶剂蒸气压下降；
•桑拿为什么பைடு நூலகம்(缺氧)? 为什么夏天的雨天叫桑拿天?
• 凝固--温度降低，液体分子平均动能下降，分子间
滑动停止，失去流动性形成固体；发生凝固的温度 为该物质的凝固点；
• 熔化--温度升高，固体变成了液体；对应的温度为 该物质的熔点。 • 物质熔点的高低主要取决于物质内部微粒之间的 相互作用力--范德华力、氢键； • 升华--直接由固态变为气态的过程； • 凝华--气态分子也会撞击固体的表面并在其表面停
第5章 水溶液中的酸碱和配位平衡
上海交通大学化学化工学院 大学化学教研室
学习目标
• 了解水的结构和性质； • 掌握水的相图、稀溶液的依数性： 掌握水的相图 稀溶液的依数性 蒸汽压下降（水的饱和
蒸气压、相对湿度）、沸点升高、凝固点下降、渗透压
• 熟悉各种酸碱理论对于酸 熟悉各种酸碱理论对于酸、碱的定义及弱电解质解离 碱的定义及弱电解质解离 平衡的计算，能够用合适的公式计算各种体系的pH值； • 掌握缓冲溶液的组成、原理和计算； 掌握缓冲溶液的组成 原 和计算 • 熟练掌握各种体系下沉淀的生成、溶解及沉淀平衡的 移动； • 掌握配位化合物结构，简单认识配位平衡；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5-2 理想溶液与拉乌尔定律 (p. 208, 212)
如B难挥发 pB 0
p = pA + pB pA = pA XA
Raoult’s 定律的 另一种表达式
溶液蒸气压 与 气相组成：
pA = pYA
分压定律
蒸气压与气液组成之间： pA XA= pA = pYA
若对于 A与 B两组分，A 更易挥发, 即 pA > p, 则 XA < YA
分子间相互作用力：主要 A－A；极少量 B－B。
溶剂 A 分子在溶液中的环境与纯态时非常接近
—— 同理想溶液
Raoult’s Law
p pX
A
AA
A－ 溶剂
p.208 (5-2-1a)
5-3 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律 (p. 209, 215)
Henry’s Law
溶质B分子几乎完全处于A 分子的环境中
5-2 理想溶液与拉乌尔定律 (p. 208, 212)
Raoult’s Law
p pX
B
BB
XB < 1, pB < pB
XB 1, pB pB
溶液蒸气压,
蒸气-- 理想
气体
p = pB
p = pA + pB pA < p < pB
p
120
Dbezene
Ctoluene
100
Bbenzene+toluene
5-3 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律 (p. 209, 215)
不同浓度单位时，Henry’s 定律: (p.201)
pB = KBCB
CB : mol·dm-3
pB = KBbB pB = KB%B pB = KBaB
bB : mol·kg-1
aB : activity
1
1
KB可由实验数据外推 获得， 为一假想状态
A与B的相互溶解过程是稀释过程
CH3OH-CH3CH2OH; Fe-Mn; Sn-Bi; 同分异构体
热力学函数变量 H = 0 , S > 0, G< 0
理想溶液是一种理想化极限状态，实际溶液在一定条 件下可与之相近。
5-2 理想溶液与拉乌尔定律 (p. 208, 212)
溶液的蒸气压
B的蒸气分压 固液界面 B分子转移平衡
多组分单相系统: 两种或两种以上的物质以分子、原子或离子
大小，相互混合所形成的均匀系统。 －－－系统内各部分具有相同物理化学性质。
混合物：以相同标准态（如100kPa纯液体的状态）和相同方
法所研究的单相系统。
溶液： 单相系统中组分区分为溶质（B）和溶剂（A），且对
二者选用不同的标准态和不同方法所研究的单相系统。
由实验也可由热力学推导
Henry’s Law
pB = KBXB
p.209 (5-2-2a)
XB << 1, KB 为 Henry 常数.
KB 取决于溶质 B，也取决于溶剂 A 的性质。 p.209 表5-2-1 KB 越大 B-A 间作用越弱 B 蒸气压越高 KB 可由实验、部分也可由手册中获得，KB 为一假想状态
80
T p*(ben)
60
p*(tol)
40
20
0
0.0
0.2
0.4
0.6
toБайду номын сангаасuene
x(benzene)
0.8
1.0
benzene
p-x gragh for the mixture of benzene and toluene
苯-甲苯，水-重水， Ag-Au, Fe-Mn, …
pB ---- B组分的标准状态
（一）多组分系统热力学 (p.206－229)
5-1 基本概念和组成表示法 5-2 理想溶液与拉乌尔定律 5-3 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律 5-4 理想溶液和理想稀溶液的热力学基础 5-5 稀溶液的依数性 5-6 活度与活度因子 5-7 分配定律
5-1 基本概念和组成表示法 (p.206－208)
l g l (B) = g (B), 等…
➢ 相平衡时气相热力学性质 溶液性质
➢ 理想溶液 实际溶液 概念、公式、相图
➢ 理想稀溶液 实际溶液 概念、公式、相图
5-2 理想溶液与拉乌尔定律 (p. 208, 212)
理想溶液模型 具有相近的分子间相互作用力的两组分所
形成的溶液。 A 与 B在溶液中的性质与纯态时近似相同
B (l) c v o a n p do e r n in s B ig ( ng g)
B 的表面覆盖度, pB xB
理想溶液任一组分满足 －－Raoult’s Law
p pX
p.208
B
B B (5-2-1a)
pB, xB 和 pB 分别是任一 组分B在溶液状态下的分压、溶液 中摩尔分数和纯B的蒸气压。
许多实际溶液，如 O2 和 CO2 的水溶液、 O2 和 CO2溶于金 属中形成的溶液、血液等为稀溶液。
5-3 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律 (p. 209, 215)
5-3 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律
Ideal-dilute solutions, Raoult’s Law and Henry’s Law (p. 209, 215)
理想稀溶液模型 溶质B浓度极低（ XB 0, XA 1 ）,在
溶液中对溶剂A的性质几乎无影响；溶液中大量的A分子主要 与A相互作用。
混合物
气态混合物 液态混合物 固态混合物
溶液
液态溶液 固态溶液
5-1 基本概念和组成表示法 (p.206－208)
组成表示法 1. 物质B的物质的量分数
nB --物质的量 w --物质的质量
xn n,
B
B
B
B
2. 物质B的质量分数
x B 1 B% -- 物质的百分比浓度 B mA -- 溶剂的质量
w w w ,
B
B
B
B
w B 1 B
B % w B w B 1,00 B % 100
B
B
3. 物质B的物质的量浓度 cB= nB V
4. 物质B的质量摩尔浓度 bB= nB mA
5-2 理想溶液与拉乌尔定律 (p. 208, 212)
Ideal solutions and Raoult’s Law 溶液与其气相达相平衡时，
5 溶液-相平衡
第五章 多组分系统热力学与相平衡 (p.206－)
5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-11
基本概念和组成表示法 理想溶液与拉乌尔定律 理想稀溶液与拉乌尔定律和亨利定律 理想溶液和理想稀溶液的热力学基础 稀溶液的依数性 活度与活度因子 分配定律 相律 单组分系统热力学 二组分系的气液平衡 二组分凝聚系相图