《相平衡基礎(chǔ)》課件

相平衡基礎(chǔ)相平衡是化學(xué)熱力學(xué)中的一個(gè)重要概念，它描述了不同相之間達(dá)到平衡時(shí)的條件。了解相平衡對(duì)于理解和預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)、設(shè)計(jì)分離過程以及研究化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要。課程大綱相平衡的基本概念相平衡的定義相平衡圖的應(yīng)用二元系統(tǒng)相平衡溫度-組成圖液相線與固相線共晶體系、包晶體系、偏晶體系相變理論化學(xué)勢(shì)相變吉布斯自由能核生成理論擴(kuò)散控制的相變固溶體與相圖固溶體的形成條件固溶體的結(jié)構(gòu)特征相圖的繪制方法相平衡實(shí)驗(yàn)測定相平衡的定義熱力學(xué)平衡系統(tǒng)中各相的物理化學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。相變平衡系統(tǒng)中不同相之間物質(zhì)的轉(zhuǎn)移達(dá)到平衡，各相的組成和性質(zhì)不再隨時(shí)間變化。多相平衡系統(tǒng)中存在多種物質(zhì)的混合物，各物質(zhì)在不同相中的分配達(dá)到平衡。相平衡圖的應(yīng)用相平衡圖是研究物質(zhì)相變的重要工具，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料科學(xué)、冶金等領(lǐng)域。通過相平衡圖可以了解不同條件下物質(zhì)的相組成和相變過程，從而進(jìn)行物質(zhì)的合成、加工和應(yīng)用。例如，利用相平衡圖可以確定合金的最佳成分、預(yù)測材料的性能、控制反應(yīng)的條件等。相平衡圖在材料科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。一元二相系統(tǒng)1定義一元二相系統(tǒng)是指僅包含一種組分，且處于兩種不同相平衡狀態(tài)的體系。2示例例如，水在常壓下可存在液態(tài)和氣態(tài)兩種相。當(dāng)水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液態(tài)水和氣態(tài)水達(dá)到平衡，形成一元二相系統(tǒng)。3應(yīng)用一元二相系統(tǒng)在化學(xué)工程、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如蒸餾、結(jié)晶、升華等過程。二元系統(tǒng)相平衡定義二元系統(tǒng)是指由兩種組分組成的體系。當(dāng)體系處于平衡狀態(tài)時(shí)，不同相之間存在一定的關(guān)系，稱為二元系統(tǒng)相平衡。相圖二元系統(tǒng)相平衡可以用相圖來表示。相圖是描述體系在不同溫度、壓力和組成條件下各相平衡關(guān)系的圖形。應(yīng)用二元系統(tǒng)相平衡在金屬材料、陶瓷材料、藥物制備等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。通過相圖可以預(yù)測材料的性能、設(shè)計(jì)新的材料和工藝。溫度-組成圖溫度-組成圖是一種重要的相平衡圖，它可以直觀地表示體系在不同溫度和組成下存在的相態(tài)。圖中橫坐標(biāo)表示組成，縱坐標(biāo)表示溫度，相界線表示不同相態(tài)之間的平衡關(guān)系。通過溫度-組成圖，我們可以了解體系的相變過程、相組成、相平衡等重要信息。液相線與固相線1液相線液相線表示液態(tài)物質(zhì)與固態(tài)物質(zhì)共存的溫度，它定義了物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn)。2固相線固相線定義了固態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)共存的溫度，它描述了物質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn)。3相變液相線和固相線之間的區(qū)域表示物質(zhì)處于單一相狀態(tài)，即完全固態(tài)或完全液態(tài)。4相圖液相線和固相線共同構(gòu)成了相圖，用于描述不同溫度和壓力下物質(zhì)的相變行為。共晶體系共晶點(diǎn)共晶體系在特定溫度和成分下，液相同時(shí)結(jié)晶成兩種固相，稱為共晶點(diǎn)。共晶反應(yīng)液相在共晶點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種固相的混合物，稱為共晶反應(yīng)。共晶相共晶反應(yīng)生成的固相混合物稱為共晶相，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)。包晶體系包晶體系指在液態(tài)和固態(tài)兩種相之間發(fā)生反應(yīng)的系統(tǒng)。該反應(yīng)會(huì)形成一種新的固態(tài)相，其成分不同于原始液態(tài)相和固態(tài)相。包晶反應(yīng)在金屬合金的制備中十分常見，例如，銅鎳合金在一定溫度下會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，生成一種新的固態(tài)相。偏晶體系偏晶體系是指在固態(tài)下形成一個(gè)新相，而溶液的成分和溫度保持不變。這種相變發(fā)生在固態(tài)溶液中，其中一種組分開始結(jié)晶。偏晶體系的相圖通常具有一個(gè)偏晶點(diǎn)，表示固態(tài)溶液開始結(jié)晶的溫度。在偏晶點(diǎn)之前，固態(tài)溶液保持單相。當(dāng)溫度下降到偏晶點(diǎn)時(shí)，固態(tài)溶液中的一種組分開始結(jié)晶，形成新的固相。結(jié)晶過程伴隨著固態(tài)溶液的成分變化。隨著溫度繼續(xù)下降，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行，直到所有溶液中的這種組分都被析出。相的判斷方法顯微鏡觀察通過顯微鏡觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，可以識(shí)別不同相的存在。X射線衍射利用X射線衍射技術(shù)，可以確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，從而判斷物質(zhì)的相。熱分析通過測量物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，例如比熱容、熱焓等，可以判斷物質(zhì)的相變過程?；瘜W(xué)勢(shì)化學(xué)勢(shì)是一個(gè)熱力學(xué)概念，表示在恒溫恒壓條件下，系統(tǒng)中某組分的自由能變化率?；瘜W(xué)勢(shì)決定物質(zhì)在不同相之間的遷移方向，是相平衡的重要因素。定義在恒溫恒壓條件下，系統(tǒng)中某組分的自由能變化率符號(hào)μ單位J/mol化學(xué)勢(shì)與溫度、壓力的關(guān)系化學(xué)勢(shì)是體系中某種物質(zhì)的偏摩爾吉布斯自由能，它反映了該物質(zhì)在體系中存在的傾向?；瘜W(xué)勢(shì)與溫度和壓力的關(guān)系可以用以下公式表示：μ=μ°+RTln(a)其中，μ為化學(xué)勢(shì)，μ°為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的化學(xué)勢(shì)，R為理想氣體常數(shù)，T為溫度，a為該物質(zhì)的活度。從公式可以看出，化學(xué)勢(shì)與溫度和壓力密切相關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，化學(xué)勢(shì)會(huì)降低，物質(zhì)在體系中存在的傾向會(huì)降低。當(dāng)壓力升高時(shí)，化學(xué)勢(shì)會(huì)升高，物質(zhì)在體系中存在的傾向會(huì)升高。相變吉布斯自由能相變吉布斯自由能是指在恒溫恒壓條件下，體系發(fā)生相變時(shí)吉布斯自由能的變化。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)，相變吉布斯自由能是衡量相變自發(fā)性的一個(gè)重要指標(biāo)。如果相變吉布斯自由能為負(fù)值，則相變過程自發(fā)進(jìn)行；如果相變吉布斯自由能為正值，則相變過程需要外界提供能量才能進(jìn)行。相變吉布斯自由能可以通過計(jì)算不同相態(tài)的吉布斯自由能差來確定，并利用相變過程中的能量變化來預(yù)測相變過程的自發(fā)性。相變過程中的能量變化1焓變相變過程中的熱量變化2熵變相變過程中體系混亂度變化3吉布斯自由能變相變過程中的能量變化相變過程中，體系的能量變化是通過焓變和熵變來體現(xiàn)的。焓變反映了體系吸收或釋放的熱量，熵變反映了體系混亂度的變化。相變過程的能量變化可以通過吉布斯自由能變來衡量。吉布斯自由能變是焓變和熵變的綜合反映，它決定了相變過程的自發(fā)性。飽和度的概念飽和度定義飽和度指在一定溫度下，溶液中溶質(zhì)的最大溶解量，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)溶液不再能溶解更多溶質(zhì)。飽和溶液當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度達(dá)到飽和度時(shí)，溶液稱為飽和溶液，此時(shí)溶質(zhì)與溶劑之間達(dá)到平衡狀態(tài)，溶質(zhì)的溶解速率與析出速率相等。影響因素溶液的飽和度受多種因素影響，包括溫度、壓力、溶質(zhì)性質(zhì)和溶劑性質(zhì)等。過飽和溶液當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度超過飽和度，則稱為過飽和溶液，此時(shí)溶液處于不穩(wěn)定狀態(tài)，溶質(zhì)可能會(huì)析出。飽和度與過冷過熱的關(guān)系過冷液體低于凝固點(diǎn)，但仍保持液態(tài)狀態(tài)稱為過冷。過冷現(xiàn)象的發(fā)生需要特殊的條件，例如液體純度高、冷卻速度快，以及容器表面光滑等。過熱液體高于沸點(diǎn)，但仍保持液態(tài)狀態(tài)稱為過熱。過熱現(xiàn)象需要特殊條件，例如液體純度高、加熱速度快，以及容器表面光滑等。核生成理論1成核過程新相的形成需要克服表面能勢(shì)壘2成核機(jī)制均相成核和非均相成核3成核速率受過飽和度和溫度影響成核過程是相變的初始階段，新相的形成需要克服表面能勢(shì)壘，并依賴于過飽和度和溫度。成核過程分為均相成核和非均相成核兩種方式。均相成核發(fā)生在無雜質(zhì)存在的均勻體系中，而非均相成核則發(fā)生在雜質(zhì)或界面存在的情況下。成核速率隨著過飽和度和溫度的增加而加快。核生成的自發(fā)性11.吉布斯自由能新相形成的吉布斯自由能變化與界面能和體積能有關(guān)。22.臨界半徑臨界半徑是指核生長達(dá)到熱力學(xué)平衡所需的最小半徑。33.自發(fā)性當(dāng)新相的吉布斯自由能變化小于零時(shí)，核生成過程才自發(fā)進(jìn)行。核生成動(dòng)力學(xué)1形核功新相形成所需的能量2形核速率單位時(shí)間內(nèi)形成的新相核數(shù)3生長速率新相核的生長速度形核功是新相形成所需克服的能量障礙。形核速率是指單位時(shí)間內(nèi)形成的新相核數(shù)，受形核功、溫度和過冷度等因素影響。生長速率是指新相核的生長速度，受擴(kuò)散速率和界面遷移速率等因素影響。擴(kuò)散控制的相變擴(kuò)散過程擴(kuò)散控制的相變是通過物質(zhì)的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，擴(kuò)散速率決定相變速度。原子遷移原子從高濃度區(qū)域遷移到低濃度區(qū)域，需要克服能量勢(shì)壘。相界影響相界是擴(kuò)散過程的“阻力”，影響擴(kuò)散速率和相變速度。溫度影響溫度升高，原子運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散速率增加，相變加速。界面動(dòng)力學(xué)界面張力液體與固體或氣體之間的界面存在張力，稱為界面張力。界面張力會(huì)影響相變過程中的核生成和生長。表面能表面能是物質(zhì)表面形成新的表面所需的能量，它與界面張力有關(guān)，并影響物質(zhì)在不同相中的穩(wěn)定性。界面遷移界面遷移是指物質(zhì)在不同相之間的移動(dòng)，受界面張力、擴(kuò)散速率等因素影響，決定相變的速率。相變的微觀機(jī)制相變是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的改變。相變過程涉及原子、分子或離子在不同相之間的移動(dòng)、排列和鍵合方式的改變，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。固溶體的形成條件晶格類型溶質(zhì)原子必須與溶劑原子的晶格類型相匹配，才能形成固溶體。原子尺寸溶質(zhì)原子的大小必須與溶劑原子的大小相近，才能形成固溶體?；瘜W(xué)鍵類型溶質(zhì)原子與溶劑原子之間的化學(xué)鍵類型要一致，才能形成固溶體。電負(fù)性溶質(zhì)原子與溶劑原子的電負(fù)性要相近，才能形成固溶體。固溶體的結(jié)構(gòu)特征原子排列固溶體中溶質(zhì)原子取代或填入溶劑原子晶格中，保持溶劑的晶格類型。成分變化固溶體中溶質(zhì)原子濃度可變化，形成不同的成分。晶格畸變?nèi)苜|(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。固溶體的性能機(jī)械性能固溶體通常比純金屬更強(qiáng)韌。例如，在鋼中添加碳，可以增加其強(qiáng)度和硬度。電性能固溶體可以改變金屬的電導(dǎo)率。例如，在銅中添加少量鎳可以提高其電阻率。熱性能固溶體可以改變金屬的熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)。例如，在鋁中添加鎂可以降低其熔點(diǎn)?；瘜W(xué)性能固溶體可以提高金屬的抗腐蝕性。例如，在不銹鋼中添加鉻可以提高其抗氧化能力。相圖的繪制方法1實(shí)驗(yàn)測定通過實(shí)驗(yàn)測量不同溫度和壓力的相平衡數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)處理將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成相圖，并進(jìn)行分析。3熱力學(xué)模型利用熱力學(xué)模型預(yù)測相平衡數(shù)據(jù)。4理論計(jì)算通過理論計(jì)算得到相平衡圖。繪制相圖需要多種方法，例如實(shí)驗(yàn)測定、數(shù)據(jù)處理、熱力學(xué)模型和理論計(jì)算等。這些方法可以相互補(bǔ)充，幫助我們更全面地了解相平衡規(guī)律。相平衡實(shí)驗(yàn)測定1實(shí)驗(yàn)方法相平衡實(shí)驗(yàn)需要使用專門的設(shè)備，如差示掃描量熱儀(DSC)或熱重分析儀(TGA)。這些設(shè)備可以精確測量材料在不同溫度和壓力下的熱力學(xué)性質(zhì)。2數(shù)據(jù)分析通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定相平衡圖中的相邊界和共存相的組成。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于驗(yàn)證理論模型，并提供材料在特定條件下的相平衡信息。相平衡的應(yīng)用實(shí)例冶金相平衡原理廣泛應(yīng)用于金屬冶煉、合金設(shè)計(jì)和熱處理等領(lǐng)域。例如，利用相平衡圖可以確定合金的最佳成分和熱處理工藝，以獲得所需性能?；瘜W(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)中，相平衡應(yīng)用于精餾、結(jié)晶、萃取等分離過程。例如，利用相平衡圖可以預(yù)測不同物質(zhì)在不同溫度和壓力下的溶解度，從而優(yōu)化分離過程。制藥制藥行業(yè)利用相平衡原理