2.10 二组分系统相图

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气相中两个组分的重量比亦就是馏出物
中两个组分的重量比(∵沸点不变);
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WH 2O WB
上式中
18.02 p MB p
* A * B
WH2O /WB 称为“蒸汽消耗系数”,
因为此沸点小于任一其他组分的沸点,
我们称之为“最低恒沸点”。
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三、第三类溶液的沸点-组成图(T-X图)
在此溶液的沸点-组成图中有一个最高点
(如图),与最高点的组成相对应的溶液 称之为 “最高恒沸点混合物”。
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与第二类溶液相似,
在最高恒沸点时,
溶液与蒸气的组成相
同,用分馏方法不能
我们知道,有不少有机化合物在其沸
点以前就分解了;或者由于沸点较高,
不能或不易用通常的蒸馏方法来提纯。
根据上述不互溶双液体系的性质,可
采用水蒸汽蒸馏方法来提纯它们。
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在水蒸汽蒸溜时,让水蒸汽以汽泡的形式通 过有机液体冒出,这样可起到搅拌作用,以 使体系的蒸气相和两个液体相达成平衡。 在蒸馏过程中馏出物的两种液体的重量比例
压增加,故B在平
衡蒸气相中浓度
大于B在溶液中的
浓度;
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当溶液浓度在C和B之
间时,由于加入A使体 系蒸气压增加,
故A在平衡蒸气相中浓
度大于A在溶液中的浓 度;
溶液组成为C时,溶液
组成和蒸气组成相同。
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第三类溶液
溶液浓度在A和D之
间时,A在气相中的 浓度大于A在溶液中 的浓度;

可计算如下:

当混合物沸腾时,两液体的蒸气压分别为 PA*
和 PB*。根据道尔顿分压定律,气相中分压之
比等于摩尔数之比,因此:
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p nA WA / M A p nB WB / M B
* A * B

WA p M A ; WB p M B
* A * B
WH 2O 18.02 p* A 或: * WB M B pB

两种液体完全不互溶,严格说是没有的;

但是有时两种液体的相互溶解度是如此之小,以
致实际上可忽略不计;

这种双液体系我们可近似地看作为不互溶体系。
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二、不互溶体系的蒸气压和沸点
在不互溶体系中,每种液体的蒸气压就
是他们在纯态时的蒸气压,其大小与另
一中液体的存在与否及存在的数量均无
关;
所以这种体系的蒸气压应当是互不相溶
的两种液体在该温度下纯态的蒸气压之 和,即:
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p=
* pA
+ pB
*
因此,不相溶的两种液体的混合物的沸
点应当低于任何一纯组分的沸点;
由于总蒸气压与两种液体的相对数量无
关,故混合物在沸腾蒸馏时的温度亦保
持不变。
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不互溶体系的蒸气压-组成图和沸点-组成图
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三、蒸汽蒸馏
mol 分数为 X1,此体系包含相互
平衡的液相和气相,组成分别为b和b。
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• 设液相的mol数为nl ,
气相的mol数为nv,则:
n v ob x1 x 4 n l ob x 3 x1
或:nv ob nl ob
杠杆规则
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分馏原理
分馏:采用反
复蒸馏的方法
将溶液中的组
分分开。

通常所采用的蒸馏步骤是将所形成的蒸气尽
可能快地通过冷凝器凝聚而移去(收集)。
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现在常用分馏柱:一根内 部充以碎玻片的管子。 当第一部分蒸气遇到玻片 时即冷凝,冷凝的液体沿 玻片往下滴;


此时遇到上升的蒸气,由 于冷凝的液体沸点比上升蒸气的温度低,于
是上面的冷凝液体重新蒸发,而下面上升的
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而溶液的沸点则不恒定,由开始沸腾到 蒸发终了有一温度区间,上例中组成为
X1的溶液的沸腾温度区间为从 t1 t3。
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“结线” 和
“杠杆规则”
“结线”:
两个相互平衡的相在状态图中所代表的点
之间的联线称为“结线”。
例如:上图中 aa、bb、cc
线均为结线。
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20.22% HCl
60% HNO3
HBr+ H2O CCl4+CH3OH
126
(最高)
47.5% HBr
95.57% C2H5OH
C2H5OH+ H2O 78.13 (最低)
55.7 (最低)
44.5% CCl4
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§2.8.3 不互溶双液体系的饱和蒸气 压 水蒸汽蒸馏 (了解)
一、不互溶体系
液在1atm下加热,
• 当 温 度 为 t1 时 ,
溶液开始沸腾。
• 这时平衡蒸气的
组成为 a。
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• 如果溶液在一带有活 塞的密闭容器中不断 蒸发; B含量相对较液相大, 故 溶 液 的 组
• 由于平衡蒸气相中的
成将向A增多方向移
动,同时沸点升高。
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•即此时溶液的组 成沿 abc 曲线移 动,而蒸气的组 成 沿 abc 曲 线
定义:
在恒定
1atm 下,描述溶液沸点与组成
关系的相图叫做沸点-组成图。
三类溶液的沸点-组成图分别介绍如下:
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一、第一类溶液的 T-x 图

由于较易挥发的物质其沸点较低,因此
蒸气压-组成图中,蒸气压较高的物质B
有较低的沸点;

而具有较低沸点的组分在平衡气相中的
浓度要大于其在溶液中的浓度。
蒸气却冷凝成液体。
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此冷凝液体又与上升蒸气
相遇,再重新蒸发。

如此连续不断地在此管中
进行冷凝与蒸发的过程。

当此管子足够高时,则从
管上口逸出的蒸气将趋近 于较易挥发的纯组分 B。
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二、第二类溶液的沸点-组成图(T-X 图)
在此种溶液的沸点
-组成图中就必然 有一最低点。
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第三类:溶液总蒸气压-组成曲线中有
极小值点。例如:

CHCl3-CH3COCH3; H2O-HCl 等体系。
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二、经验规则
对于理想溶液,曾得到这样一条规则:
“相对较易挥发物质,在平衡蒸气相中
的浓度要大于其在溶液相中的浓度。”
数学表示式为:
若 pA* pB* ,则 yA xA
§2.9 二组分系统相 图
根据相律,二组分体系的自由度:
f=2 +2=4
由上式可知,当:f
= 0 时, = 4
即双组分体系最多可以有
4 相共存达成
平衡;
当:
=1 时,f = 3
即双组分体系单相时可有三个自由度。
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因此,要完整地表示双组分体系的状
态图,需用三维坐标的立体模型。
§2.9.1 完全互溶双液体系的蒸 气压-组成图
此种溶液的蒸气压-组成如图所示。这类
相图已在“理想溶液”部分讨论过了。
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一、完全互溶双液体系的分类
第一类:溶液的总蒸气压总是在两纯组
分蒸气压之间。例如:

C6H12-CCl4; C6H6-CCl4; H2O-CH3OH
等体系,比较接近理想溶液。

f = C +1 = 2 1 + 1 = 2
T,xB 两个自由度;
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根据相律,在
曲线 l v 之间
两相平衡区:

f = C +1 = 2 2 + 1 = 1
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• 即曲线 l 和 v 之间的两相平
衡区内,只能
有一个自由度,
也就是说: •如果温度确定,则两个平衡相的组成
体系有4个可能的相,而每一相在 p-
T-x 坐标空间中各占居一块体积。
这给我们定量图示带来困难(不同于
单组分二维 p-T 图)。
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为方便表示起见,往往指定某一变量
(温度或压力)固定不变,考察另外 两个自由度的变化关系。
这样,只要用二维平面就可以表示二
组分体系的状态。
例如:可指定压力不变(
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两组分体系的类型有很多种,但从物
态来区分,大致可分为三大类:
(1)双液体系
(2)固液体系
(3)固气体系
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其中(3)固-气体系实际上就是多
相化学平衡,将在化学平衡一章中
讨论;
其中(1)双液体系:又可分为:


完全互溶双液体系;
部分互溶双液体系;

完全不互溶双液体系。
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所以蒸气组成曲线 v 在溶液组成曲线 l
的右上方(如图)
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• 在曲线 v 以上为 单相气相区域, • 在此区域中只有 气体存在;

f = C +1 = 2 1 + 1 = 2
有 T,xB 两个自由度;
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• 在曲线 l 以下为
单相液相区域,
• 在此区域中只有
溶液相存在;
得到纯组分。
当溶液浓度在
A 和 D 之间时,可用分馏得纯 D 和 B 之间时,用分馏方法可
A 和 D (恒沸混合物) ;
当溶液浓度在
得纯 B 和 D。
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1atm下常见恒沸溶液的数据列表
溶液 恒沸点(C) 重量百分浓度
HCl+H2O
HNO3+ H2O
108.6 (最高)
120.5 (最高)
移动。
•当溶液全部蒸发完时,温度上升到 t3, 此时最后剩下的一滴溶液的组成为 c。
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• 应当注意,这
是描述溶液在
一带有活塞的
密闭容器中不
断蒸发过程;
•在整个蒸发过程中蒸气相始终与溶液相 达成平衡。
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溶液与纯组分沸
点的不同:

wenku.baidu.com纯组分的沸点是恒定的,即由开始沸腾
到蒸发终了,温度值不变。
体系蒸气压增加,
所以平衡气相中B的
浓度大于溶液中B 的
浓度。
v曲线在 l 曲线下面。
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当溶液浓度组成为
a时,与此溶液成 平衡的蒸气相组成 为a。
究竟v曲线离开l曲
线的位置多远?取
决于B比A易挥发
的程度。
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第二类溶液
当溶液浓度在A和
C之间时,由于加
入B将使体系蒸气
溶液浓度在D和B之
间时,则B在气相中 的浓度大于B在溶液 中的浓度;
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在D点时,溶液组成
和蒸气相组成相同。
应当指出,上述蒸气
压 -组成图均 为 固 定
了另一变量 温度, 即温度一定的情况下 作出的。

改变温度,也能得到类似的图形。
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§2.9.2 完全互溶双液体系的沸 点-组成图
上述规则对非理想溶液来说,一般也是
适用的。
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1881年,阿诺华洛夫在大量实验的基础 上,总结出联系蒸气组成和溶液组成之
间关系的两条定性规则:
1)在二组分溶液中,如果加入某一组分
而使溶液的总蒸气压增加(即在一定压
力下使溶液的沸点下降),则该组分在 平衡蒸气相中的浓度将大于其在溶液中 的浓度。
“结线性质”:
• 在结线上任何一点所
表示的体系总组成, 都可分成两个组成一 定的相互平衡的相;
• 这两个相的物质量之比与体系总组成(点)
的关系遵守“杠杆规则”。
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“杠杆规则”
• 以上图中的结线
bob 为例,假设体
系的总组成点为
“ O ”点,体系中
共有 n mol 物质,
其中 B 的总
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2)在溶液的总蒸气压-组成图中,如果有
极大点或极小点存在,则此极值点对
应的平衡气相的组成和溶液相的组成
相同。
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根据规则 (1),可以确定在溶液的总蒸气 压-组成图中,各种类型溶液的总蒸气压 -气相组成曲线在总蒸气压-液相组成曲
线的下面。
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第一类溶液
由于加入组分B将使
如 p 下),
看温度和组成的关系;或指定温度不
变,看压力和组成的关系。
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在这种情况下,相律应表现为:
f = 2 +1 = 3

= 1 时, f = 2;
即二组分体系(二维)相图中,每一相
占据一块面积。

三相点, = 3, f = 0; 两相平衡线, = 2, f = 1。
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第二类:溶液总蒸气压-组成曲线中有
极大值点。例如:

甲缩醛 CH2(OCH3)2-CS2; CH3COCH3-CS2;
O O
C6H6- C6H12;
H2O-C2H5OH 等体系。
Methylal
例:水和乙醇溶液在某浓度时的沸点有
最低值,此值低于纯乙醇的沸点。
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也就随之而定了;反之亦然。
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例如:
将含 B 为 X1 的溶
液加热,当温度
为 t2 时,由 “ O ”
点表示体系的总
状态点。
体系中实际存在的是两个相,溶液相的组
成为 b,蒸气相的组成为 b,
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这两个相的组成由于温度 t2
的确定而确
定,不可能随意变动。
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• 从图中可以看出, 将组成为X1 的溶
• 根据阿诺华洛夫规则可知,当溶液的组成
恰好与具有最低沸点的组成相同时,则此
时蒸气相的组成与溶液的组成相同。
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因此,在此浓度(C )
的溶液要想用分馏方
法分离出纯组分A或
B 是不可能的。

而且此溶液与众不同,其开始沸腾到蒸发 终了,沸点不变,故此溶液称为 “恒沸点 混合物”;
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