相图及其应用演示文稿

R = 1
∴ 组分数：C = S R R = 3 1 1 = 1
✓ 在讨论水溶液体系的组分时，一般不用考虑水的电离因素。
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自由度（degree of freedom）
3）固相： ✓ 固溶体：即固体溶液，固体以分子或原子状态均匀地分 散到另一种固体的晶格中，形成性质均匀的固体溶液。 ✓ 对体系中的固体来说，如果固体之间不形成固溶体，则 不论固体分散得多细，一种固体物质就有一个相。 ✓ 而同一种固体的不同颗粒仍属同一相，因为尽管颗粒之 间有界面，但体相的性质是相同的。 ✓ 例如：糖和沙子混合，尽管混得很均匀，仍然是两个相。
CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
✓ 这时的组分数应为：
C = S R = 3 1 = 2 而不是 3
✓ 因为三相平衡时，只要两个组分确定，第三个也就定 了。
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组分数（组元，Component）
说明：
1. 究竟选择哪些物质作为独立组分是任意的，从 上例看，可取CaCO3 和 CO2，也可取CaO和 CO2，或CaCO3 和 CaO 作为独立组分。
✓ 因此，表示气相的组成时，有关系式： PNH3 = PHCl（或 c NH3 = c HCl）
✓ 所以这时的组分数既不是 3 也不是 2，而是： C=311=1
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组分数（组元，Component）
这种情况下组分数可用以下关系确定： 组分数（C） = 物种数（S） 独立化学平衡数（R） 同一相中独立的浓度关系数（R）
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组分数（组元，Component）
组分数：是为了表示体系中各种性质所需要的最少
物种数，或者在一定温度、压力下，体系中可以任意 改变其数量的物质数目，用C表示。 注意：
✓ 体系中的物种数(S )和组分数(C )这两个概念的区别 ✓ 体系中有几种物质，则物种数 S 就是多少；而组分数 C 则
不一定和物种数相同。
4
Mn 0%
3
Mn 2%
2
1
0
0
10
20
30
40
石墨含量(%)
(含有SiO2 30%)
5 Mn 0%
4 Mn 2%
3
2
1
0
0
20
40
熔融石英含量（%）
(含有石墨 30%)
60
4
相律与相图
金属熔化----固相变为液相 熔点---沸点----升华点----同素异形变化点 温度---压力----成分----相变----相律
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组分数（组元，Component）
如果体系中各物种之间没有发生化学反应，一般说来 此时组分数等于物种数：C = S
✓ 例如：乙醇 溶于水，组分数
C=S=2 如果体系中各物质之间发生了化学反应，建立了化学
平衡，此时：
✓ 组分数 (C) = 物种数 (S) － 独立化学平衡数 (R)
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组分数（组元，Component）
2. 减去的化学平衡数必须是独立的化学平衡数， 否则将会得出荒谬的结论。
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组分数（组元，Component）
某些特殊情况下的特殊限制条件，会使独立组 分数减少。
✓ 例如 NH4Cl 分解体系： NH4Cl (s) NH3 (g) + HCl (g)
✓ 当起始体系中没有 NH3 (g) 和 HCl (g) 存在，或存在的 NH3 (g) 和 HCl (g) 的物质量相等，则达到平衡时，NH3 (g) 和 HCl (g) 之间有一定的比例关系。
相图对于材料科学工作者的作用如同地图对于旅行者那 样重要。
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几个例子
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AG材质设计及改善
C 50%
SiO2 50%
AGL421 AGL424 AGL15
AG409 AG351 AG160
AG276 AGS4 AG810
Al2O3+etc. 1 00%
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侵蚀速率(mm/hr)
侵蚀速率(mm/hr)
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相 （Phase）
1）气相：对体系中的气体来说，由于在通常条件，不论 有多少种气体混合在一起，均能无限掺合，所以体系中 的气体只可能有一个气相。
2）液相：对体系中的液体来说，由于不同液体的互溶程 度不同，可以有一个液相、两个液相，一般不会超过三 个液相（特殊情况可能超过）。
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相 （Phase）
相图及其应用
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相图的作用
相图是描述相平衡关系的几何图形，其原理属于热力 学范畴。而热力学的一个重要作用是判断一个过程的方 向和限度。 ✓ 几种化合物混合在一起能合成出什么，最后能得到多少 预计的相组成； ✓ 材料在使用条件下的结构稳定性如何？ ✓ 新材料的组成设计； ✓ 材料制备工艺的确定；
这些是材料制备过程中人们迫切关心的问题，而相图能 有效和方便地解决这类问题，
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吉布斯相率
相律是解决相数目、组分数和自由度这三者之间 关系的定律，它是指导相平衡的普遍规律。
系统：指把任何选定的一部分物质“孤立”起来 进行研究的对象。
相：在系统内部物理和化学性质相同而且完全均 匀的一部分称为相。相与相之间有分界面，可以 用机械的方法把它们分离开。在界面上，从宏观 的角度看，性质的改变是突然的，用P表示。
因为各种物质的平衡组成必须满足平衡常数关系式； 有一个（独立的）化学平衡，就有一个平衡关系式，
体系中就少一个可以任意指定的组成。 所谓独立的化学平衡，指该化学平衡不是由体系中的
其他化学平衡组合得到的。
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组分数（组元，Component）
例如：体系中有CaCO3(s)、CaO (s) 和 CO2(g)三种 物质，在平衡时这三种物质建立了一个化学平衡：
② 需要指出的是，有时由于考虑问题的角度不同，体系物种 数 (S) 的确定可能不同，但组分数不会改变。
例如纯水液相体系：
✓ 若不考虑水的电离，组分数 C = 1，等于物种数 S。
✓ 若考虑电离：H2O H+ + OH ✓ 则 S = 3 ，但有一化学平衡： R =1；
✓ 液相中浓度关系式
[H+] = [OH] ，
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组分数（组元，Component）
注意：
① 这种物质之间的浓度关系的限制条件：只有在同一相中 方能应用，不同相中不存在此种限制条件。
例如：CaCO3 的分解体系，虽然有
nCaO = nCO2
但因 CaO (s) 和 CO2 (g) 不是同一相，所以不能作为特 殊的浓度制约关系。
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组分数（组元，Component）