固液二组分相图

固液二组分相图
固液二组分相图

Ⅰ、目的要求

1.了解固-液相图的基本特点。

2.用热分析法测绘铅—锡二组分金属相图。

3.学会热电偶的制作、标定。的测温技术

Ⅱ、基本原理

相图是多相(两相及两相以上)体系处于相平衡态时体系的某物理性质(最常见是温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形;图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等),故称为相图。二元或多元的相图常以组成为变量,其物理性质则大多取温度,由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件(如自变量不同)下相平衡情况,故研究多相体系的性质以及多相体系平衡的演变(例如,冶金工业钢铁、合金冶炼过程;化学工业原料分离制备过程)等都要用到。

二组分体系的自由度与相的数目有以下关系:

自由度=组分数-相数+2

由于一般物质其固、液两相的摩尔体积相差不大,所以固-液相图手外界压力的影响颇小。这是它与气-液平衡体系的最大差别。

各种体系不同类型相图的解析在物理化学课程中占有重要地位。对相图的制作有很多方法,统称为物理化学分析,而对凝聚相研究(如固-液、固-固相等),最常用的方法是液、固借助相变过程中温度变化而产生的,观察这种热效应的变化情况,以确定一些体系的相态变

化关系,最常用的方法就是热分析及差热分析方法。本实验就是用热分析法绘制二元金属相图。

二组分金属相图是表示两种金属混合体系组成与凝固点关系的图。由于此体系属凝聚体系,一般视为不受压力影响,通常表示为固液平衡时液相组成与温度的关系。若两种金属在固相完全不溶,在液相可完全互溶,其相图具有比较简单的形式。

步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一,是通过测定不同组成混合体系的冷却曲线来确定凝固点与溶液组成的关系。通常是将金属混合物或其合金加热全部熔化,然后让其在一定的环境中自行冷却,根据温度与时间的关系来判断有无相变的发生。图1是二元金属体系一种常见的步冷曲线。图2是两组分金属固液相图。图3有过冷现象时的步冷曲线。

当金属混合物加热熔化后冷却时,由于无相变发生,体系的温度随时间变化较大,冷却较快(1~2段)。若冷却过程中发生放热凝固,产生固相,将减小温度随时间的变化,使体系的冷却速度减慢(2~3段)。当融熔液继续冷却到某一点时,如3点,由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变,步冷曲线出现平台,(如图3~4段)。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后,体系温度又继续下降(4~5段)。若图III-5-1中的步冷曲线为图III-5-2中总组成为P的混合体系的冷却曲线,则转折点2 相

当于相图中的G点,为纯固相开始析出的状态。水平段3~4相当于相图中H点,即低共熔物凝固的过程。因此,根据一系列不同组成混合体系的步冷却曲线就可以绘制出完整的二组分固液平衡相图。

Ⅲ、仪器试剂

立式加热炉(800W)1台

调压变压器(1kVA)1台

宽肩硬质玻璃样品管(?18mm×200mm,肩?30mm)8只

数字式电位差计1套

电狐焰发生器1套

镍铬丝(28号)铅(化学纯)

考铜丝(28号)锡(化学纯)

绝缘小瓷管铋(化学纯)

停表苯甲酸(化学纯)

冰水浴

Ⅳ、试验步骤

1.热电偶的制备

关于热电偶温度计的工作原理、种类与适用范围,可参阅技术第一章第Ⅲ节。

取60cm长的镍铬丝和镍硅丝各一段,将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好,将其一端与镍硅丝的一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm),将扭

合头稍稍加热立即沾以硼砂粉,并用小火熔化,然后放在高温焰上小心烧结,直到扭头熔成一光滑的小珠,冷却后将硼砂玻璃层除去。

为绝缘起见,使用时常将热电偶套在较细的硬质玻璃管中,管内再注入少量硅油以改善导热性能。

2. 绘制步冷曲线

(1)装置如图所示。数字式

电位差计的工作原理和使用方法可参阅技术第二章第Ⅲ五节和仪器六。

(2)样品配制

用感量0.1g的台称纯Pb制含铅100%、80%、60%、38.1%、20%、0%的铅锡混合物各100g,称量至0.1g。分别置于6个宽肩硬质玻璃样品管中,在样品上方各覆盖一层石墨粉。

(3)步冷曲线

将样品管放在加热电炉中,缓慢加热,待样品完全熔化后,用热电偶玻璃套管轻轻搅动,使管内各处组成均匀一致,样品表面上也都均匀地覆盖着一层石墨粉。将热电偶固定于样品管中央,热端插入样品液面下约3cm,但与管底距离应不小于1cm,以避免外界的影响。炉温控制在以样品全部熔化后再升高50℃为宜。用调压变压器控制电炉的冷却速率,通常为每分钟6-8℃。每隔30s,用电位差计读取热电势值一次,直到三相共存温度以下约50℃。

3. 铋和苯甲酸的步冷曲线

取两支宽肩硬质玻璃样品管,分别装入铋100g和苯甲酸50g。如上述操作,测出其相变时的热电势值。

4. 水的沸点

将热电偶的热端插入沸点仪的气液喷口处,测水的沸点,作为标定热电偶温度值的一个定点。注意校正大气压力对沸点的影响。

注意:以上测定热电偶的冷端均为0℃。

Ⅴ数据记录和处理

1.数据记录

室温:大气压:

铅的含量(质量百分比)

0%20%40%61.9%80%100% T t T t T t T t T t T t

2.处理

(1)用已知纯铅、纯锡的熔点及水的沸点作横坐标,以纯物步冷曲线中的平台温度为纵坐标作图,画出热电偶的工作曲线。

(2)找出各步冷曲线中拐点和平台对应的温度值。

02038.16080100组成

(Pb%)

拐点

温度/℃

平台

温度/℃

(3)从热电偶的工作曲线上查出各拐点温度和平台温度,以温度为纵坐标,以组成为横坐标,绘出Pb—Sn合金相图。

组成

02038.16080100(Pb%)

拐点

温度/℃

平台

温度/℃

Ⅵ附:

有关金属的熔点表:

金属熔点(℃)

锡(Sn)232

铋(Bi)271.6

铅(Pb)326

锌(Zn)419

镉(Cd)321.2

文献值

(1)Pb—Sn相图的最低共熔点:

T=456K(180℃)xSn=0.47wSn=61.9%

(2)Pb及Sn的熔点及相应的熔化焓

TPb = 599K(326℃)△H¢m=5.12 kJ·mol-1

TSn = 505K(323℃)△H¢m=7.196 kJ·mol-1

Ⅶ思考与讨论

1. 步冷曲线各段的斜率以及水平段的长短与那些因素有关?

2. 解释一个经典的步冷曲线的每一部分的含义?

3. 对于不同成分的混合物的步冷曲线,其水平段有什么不同?

4. 如果用差热分析法或差示扫描量热法来测绘相图,是否可行?

5. 试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的异同点?

Ⅷ关键操作及注意事项

1. 电炉的热惯性与加热的终温、环境的温度、升温速度等均有关系,且关系复杂。一般,第一次升温时,热惯性大约为50-80℃,第二次升温时热惯性则上升为80-120℃。用电炉加热样品时,注意温

度要适当,温度过高样品易氧化变质;温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化,步冷曲线转折点测不出。

(1)升温速度的控制:本实验耗时较长,控制好升温速度可以大大缩短实验时间。熔化样品时,升温电压不能一下加得太快,要缓慢升温。一般金属熔化后,继续加热两分钟即可停止加热。

(2)降温速度的控制:降温速度的控制是本实验成功的关键,降温过快,步冷曲线的平台不明显甚至根本找不到平台。在试剂加热后的冷凝过程中注意不要使玻璃管触壁。在体系冷却过程中总组成不能发生变化,要防止挥发、氧化、或熔入其它杂质等。

(3)在测定一样品时,可将另一待测样品放入加热炉内预热,以便节约时间,合金有两个转折点,必须待第二个转折点测完后方可停止实验,否则须重新测定。

2. 热电偶热端应插到样品中心部位,在套管内注入少量的石腊油,将热电偶浸入油中,以改善其导热情况。搅拌时要注意勿使热端离开样品,金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起,这些因素都会导致测温点变动,必须消除。热电偶的热端应浸在装有高温硅油的玻璃管中,以改善导热条件;搅拌时热端的玻璃管的位置应保持不变,保证测温点的一致。热电偶的冷端应保持在27

3.2K冰水的冷井中,并且在整个测量过程中冷井内一定要有冰存在,每隔一定的时间搅动一次冰水混合物,以保持冷井内温度的一致。

3. 数据的记录:为了便于找出相变点温度,在相变点温度附近记录的数据应该密集一些,特别当出现过冷现象时。为使步冷曲线上有

明显的相变点,必须将热电偶结点放在熔融体的中间偏下处,同时将熔体搅匀。冷却时,将纯金属样品管放在加热的原炉中,把电压推到零缓慢冷却。

4. 本实验成败的关键是步冷曲线上转折点和水平线段是否明显。步冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素,若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分,转折变化明显,否则转折就不明显。故控制好样品的降温速度很重要,一般控制在6~8℃/min,在冬季室温较低时,就需要给体系降温过程加以一定的电压(约20V左右)来减缓降温速率。

5. 凝固热的放出使试管内样品的冷却变慢,在步冷曲线上出现转折点及停点,而这种转折点是否明显取决于放出凝固热的量和试管冷却散热的量的关系。若散热快,则步冷曲线上的转折点及停点就很不明显。所以在实验中必须注意保温,必要的时候对保温器进行预热,使其缓慢均匀地冷却,以得到明显的转折点。

6. 理想的步冷曲线应如图10-3中(Ⅰ)所示,但有时由于过冷致使步冷曲线变形,如(Ⅱ)所示。此时应得ts延长线交qR于m。vu延长线交st于n,而m、n二点代表真正的转折点及停点。为了防止过冷,除注意保温外,应在可能范围内将样品轻轻搅动。

7. 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时组成值一样。如果测定过程中样品各处不均匀,或样品发生氧化变质,这一要求就不能实现。另外,热电偶的热端必须放在熔化了的金属样品中部,冷端必须浸没在冰水中,否则必将大大影响结果的准确性。

8. 本实验所用体系一般为Sn-Bi、Cd-Bi、Pb-Zn等低熔点金属体系,但它们的蒸气对人体健康有危害,因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油,防止样品的挥发和氧化。石蜡油的沸点较低(大约为300℃),故电炉加热样品时注意不宜升温过高,特别是样品近熔化时所加电压不宜过大,以防止石蜡油的挥发和炭化。

9. 固液系统的相图类型很多,二组分间可形成固溶体、化合物等,其相图可能会比较复杂。一个完整相图的绘制,除热分析法外,还需借用化学分析、金相显微镜、X射线衍射等方法共同解决。

Ⅸ评注启示

二组分体系,K=2,f=k-φ+n ,n=2,f=4-φ,f≤3 (T、P、X),因为P对固、液态的影响不大,若我们只考虑在P=1atm下的状态,则n=1,f*=K-φ+1,f≤2(T、X),我们还可以用一平面的相图来描述二组分固—液体系的状况。

(一)简单低共熔相图

简单低共熔体系的两个组分在液态时完全互溶,在固态时完全不溶。

1、热分析法绘制相图

在1atm下,绘二组分固—液体系T-X相图,首先要确定A、B混合物在不同的组成及不同温度时是处于固态还是液态,也就是说测A、B在不同组成时的熔融情况。

以邻-硝基氯苯(A)和对-硝基氯苯(B)为例,A和B以一定组成混合,将混合物熔融后自然冷却,画出体系的温度与时间的关系曲线,这种曲线称步冷曲线(cooling curve)。改变A、B的组成绘出不同的步冷曲线如下:

线A是纯A的步冷曲线,线5是纯B的,纯A冷却,开始T↓,φ=1,f*=1-1+1=1 (P恒定),T可以在一定范围内变化,到A的熔点温度时,A结晶出来,并释放出凝固热,抵消体系向环境散失的热量,体系温度不变,固液二相共存,φ=2,f=0,当A完全凝固后,温度继续下降,φ=1,f=1。

线B类似于线A,只是熔点不同。

线XB=0.2是A和B混合(A多B少)体系的步冷曲线, T↓至22℃,开始有A结晶出来,此T低于A的熔点,(∵A的浓度降低了,不易结晶出来,必须降到更低的温度),液体中的B因浓度低,不结晶出来。A析出后液体中A的浓度不断降低,所以一边A结晶出来,一边T在下降(不同于线A),由于凝固过程放热,T↓的速度较慢,在结晶出A时,液体中B的浓度在↑,T↓至14.7℃,液体中XA:XB=67:33,B也饱和,A和B开始以此比例同时结晶出来,液体中组成不变,只是量越来越少,温度不变直到液体全部凝固,之后A+B固态温度直线下降。

线XB=0.7类似于线XB=0.2,只是B多A少。

线XB=0.33的液相中A、B均饱和,T↓至14.7时,A、B按XA:XB=67:33的比例一同结晶出来。

从步冷曲线中可以看出,纯A和纯B的凝固点较高,混合物的熔程长,不同组成的混合物熔融液的最低温度是一致的,此温度称为最

低共熔点(eutectic point),比纯A和纯B的熔点都要低,在此温度

下,A与B以一定的比率(XA:XB=67:33)共同凝固,此组成的混合物

称低共熔混合物。注意这是一混合物而不是化合物。

将步冷曲线上的转析点和水平线段所显示的温度对组成作图,绘成右边的T-X图,这就是二组分体系T-X相图(P恒定),a、b分别

指A、B的熔点,o点的温度是低共熔点,aob线以上是液态,o的水

平线下是固态。

热分析法绘制相图的缺点是当组成接近低共熔组成时,步冷曲线上的转折点变得不够明显,使o的位置不够准确,实际工作中可以根

据步冷曲线中温度停顿时间的长短来确定低共熔组成。

2、相图分析

φf说明

物系点

位置

aob上12(T、X)溶液相

aoe区21(T或

A固+溶液相(A饱和)

X)

bof区21(T或

B固+溶液相(B饱和)

X)

ef下21(T)A固+B固

ao线21A饱和溶液

bo线21B饱和溶液

ef线30A固+B固+饱和溶液(低共熔组成) a点2(K=1)0A固+A液

b点2(K=1)0B固+B液

o30最低共熔点、低共熔混合物

3、杠杆规则

当物系点位置在M点,二相平衡,一相为C(溶液相),另一相为D(固相),并且:液相的量×CM的长 = 固相的量×MD的长此为杠杆规则,适用于两相平衡时,根据杠杆规则,可以计算出各相的量。

4、溶解度法绘制相图

常温下A、B均为固体的体系,常用热分析法绘制相图,二组分水一盐体系,常用溶解度法绘制相图,测定不同温度时盐的溶度或不同浓度溶液的冰点来绘制相图。

如(NH4)2SO4-H2O 的相图,测出不同温度下(NH4)2SO4在水中的溶解度(不同温度下饱和溶液的组成),以温度为纵轴,组成为横轴,将数据描于图上,连起来就形成了(NH4)2SO4-H2O 的相图。

这也是低共熔相图,N点不再延伸(出现这种情况是因为水和沸点低于NH4SO4的熔点,如果1中A的沸点低于B的熔点,也会出现这种形状的相图。)

纯水约在0℃结冰,溶有(NH4)2SO4后冰点下降,LAB是冰和溶液的两相平衡区,NAC是(NH4)2SO4固相和溶液(其中(NH4)2SO4饱和)的两相平衡区。LAN以上是溶液相,BC线下是冰和(NH4)2SO4固相区。在BC线上是冰、和(NH4)2SO4固相和饱和溶液(A点) 三相共存。

5、低共熔相图的应用

(1)测熔点定纯度

纯物质熔点较高,有杂质熔点就要降低,可把样品和标准品混合后再测熔点,如果不变,则可证明是同一物质。

(2)药物配伍

如果两种药物的低共熔点接近室温,则不宜混合在一起配方,否则易成糊状或呈液态。

(3)致冷剂、制剂防冻

水中溶有盐,使水冰点下降,可用作低于0℃的致冷剂。

在药物的水溶液中加入丙二醇等使溶液冰点下降,可以制备防冻注射液。

(4)结晶提纯

如(NH4)2SO4的提纯,先将(NH4)2SO4粗盐溶解于热水中,控制浓度约在S点,过滤去不溶性杂质,冷却到R点,得到(NH4)2SO4结晶,剩余母液为y,加热到O点,加入(NH4)2SO4粗盐到S点,如此循环。

(5)固体分散体

难溶性药物与可溶性载体混合,可溶性载体的含量大于低共熔组成,加热熔融,冷却时形成的低共熔混合物中,药物在载体中有较好的分散度,可提高药物的生物利用度。固体分散体是近年来被广泛应用的新剂型。

在二组分固-液体系平衡相图中,我们主要掌握简单低共熔相图,对以下各种相图只作简要介绍:

(二)生成化合物的相图

1、生成稳定化合物的相图

(1) 苯酚(A)- 苯胺(B)相图

A+B == AB

此相土是两个简单低共熔相图的组合,各区域的相如图所示。

(2) H2O-H2SO4相图

此相土是4个简单低共熔相图的组合,相图分析与(1)类似。

2、生成不稳定化合物的相图

如: CaF2 .CaCI2(s)== CaF2(s) + 溶液

(三)有固溶体生成的相图

1、固态部分互溶体系的相图

如KNO3-TiNO3的相图:

若F、G两点分开到边上,即为简单低共熔相图。

这一体系中固相是固溶体,固溶体α以A为主,溶有B,固溶体β以B为主,溶有A,其它与简单低共熔相图类似。

2、固态完全互溶体系的相图

体系中固相是固溶体,固态A与B在任何比例下都完全互溶,所以固相只有一相(固溶体)。左边是具有最低共熔点的相图,右边是具有最高共熔点的相图。各区域的相如图所示,在最低、最高共熔点处,液相与固相的组成相同。

Ⅹ参考文献

1、《物理化学实验》,(第三版)复旦大学编。

2、《物理化学实验》,(第二版)山东大学等校编。

3、《物理化学实验》,P(第二版)南京大学编。

4、网上资料

二组分金属相图的绘制

二组分金属相图的绘制 一.实验目的 1.用热分析法(冷却曲线法)测绘Bi —Sn 二组分金属相图。 2.了解固液相图的特点,进一步学习和巩固相律等有关知识。 二.实验原理 表示多相平衡体系组成、温度、压力等变量之间关系的图形称为相图。 较为简单的二组分金属相图主要有三种:一种是液相完全互溶,凝固后,固相也能完全互溶成固熔体的系统,最典型的为Cu —Ni 系统;另一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统,最典型的是Bi —Cd 系统;还有一种是液相完全互溶,而固相是部分互溶的系统,如本实验研究的Bi —Sn 系统。在低共熔温度下,Bi 在固相Sn 中最大溶解度为21%(质量百分数)。 图1冷却曲线 图2由冷却曲线绘制相图 热分析法(冷却曲线法)是绘制相图的基本方法之一。它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时,潜热的释出或吸收及热容的突变,来得到金属或合金中相转变温度的方法。通常的做法是先将一定已知组成的金属或合金全部熔化,然后让其在一定的环境中自行冷却,画出冷却温度随时间变化的冷却曲线(见图 1)。当金属混合物加热熔化后再冷却时,开始阶段由于无相变发生,体系的温度随时间变化较大,冷却较快(ab 段)。若冷却过程中发生放热凝固,产生固相,将减小温度随时间的变化,使体系的冷却速度减慢(bc 段)。当融熔液继续冷却到某一点时,如c 点,由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混 合物完全凝固以前体系温度保持不变,冷却曲线出现平台,(如图cd 段)。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后,体系温度又继续下降(de 段)。 由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物系统,可以根据它的冷却曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的冷却曲线的各转折点,即可画出二组分系统的相图(T - x 或T - w B 图)。不同组成熔液的冷却曲线对应的相图如图2所示。 图3可控升降温电炉前面板 1.电源开关 2.加热量调节旋钮 3、4.电压表 5.实验坩埚摆放区 6.控温传感器插孔 7.控温区电炉8.测试区电炉 9.冷风量调节

二组分简单共熔体系相图的绘制

二组分简单共熔体系相图的绘制

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实验七二组分简单共熔体系相图的绘制 ------Cd~Bi二组分金属相图的绘制1实验目的及要求: 1)应用步冷曲线的方法绘制Cd~Bi二组分体系的相图。 2)了解纯物质和混合物步冷曲线的形状有何不同,其相变点的温度应如何确定。 2 实验原理:… 用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何,不同相的相对量是多少,以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图,叫相图。 绘制相图的方法很多,其中之一叫热分析法。在定压下把体系从高温逐渐冷却,作温度对时间变化曲线,即步冷曲线。体系若有相变,必然伴随有热效应,即在其步冷曲线中会出现转折点。从步冷曲线有无转折点就可以知道有无相变。测定一系列组成不同样品的步冷曲线,从步冷曲线上找出各相应体系发生相变的温度,就可绘制出被测体系的相图,如图Ⅱ一6一l所示。 纯物质的步冷曲线如①⑤所示,从高温冷却,开始降温很快,口6线的斜率决定于体系的散热程度。冷到A的熔点时,固体A开始析出,体系出现两相平衡(溶液和固体A),此时温度维持不变,步冷曲线出现bc的水平段,直到其中液相全部消失,温度才下降。 混合物步冷曲线(如②、④)与纯物质的步冷曲线(如①、⑤)不同。如②起始温度下降很快(如a′b′段),冷却到b′点的温度时,开始有固体析出,这时体系呈两相,因为液相的成分不断改变,所以其平衡温度也不断改变。由于凝固热的不断放出,其温度下降较慢,曲线的斜率较小(b′c′段)。到了低共熔点温度后,体系出现三相,温度不再改变,步冷曲线又出现水平段c′d′,直到液相完全凝固后,温度又迅速下降。 曲线⑧表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线,其图形与纯物相似,但它的水平段是三相平衡。 用步冷曲线绘制相图是以横轴表示混合物的成分,在对应的纵轴标出开始出现相变(即步冷曲线上的转折点)的温度,把这些点连接起来即得相图。 3仪器与药品: 加热电炉1只,热电偶(铜一康铜)1根,不锈纲试管8只,控温测定装置1台,计算机1台,镉(化学纯),铋(化学纯)。 4 实验步骤: 1)配制不同质量百分数的铋、镉混合物各100g(含量分别为0%,15%,25%,40%,55%,75%,90%,100%),分别放在8个不锈纲试管中。 2)用控温测定装置装置,依次测纯镉、纯铋和含镉质量百分数为90%,75%,55%,40%,25%,15%样品的步冷曲线。将样品管放在加热电炉中加热,让样品熔化,同时将热电偶的热端(连玻璃套管)插入样品管中,待样品熔化后,停止加热。用热电偶玻璃套管轻轻搅

实验6 Sn-Bi二组分固液相图的绘制

实验6 Sn-Bi二组分固液相图的绘制 【实验目的】 1.掌握热分析法绘制二组分固液相图的原理及方法; 2.了解纯物质与混合物步冷曲线的区别并掌握相变点温度的确 定方法; 3.了解简单二组分固液相图的特点; 4.掌握数字控温仪及KWL-80可控升温电炉的使用方法。 【实验原理】 凝聚系统受压力影响很小,因此通常讨论其定压下相平衡图。根据相律,定压下二组分系统f mix=2,最多有温度和组成两个独立变量,其相图为温度-组成图。 凝聚系统相图绘制:常用溶解度法和热分析法。 溶解度法:定温度下,直接测定固-液两相平衡时溶液的浓度,依据测得的温度和溶解度数据绘制成相图,适用于常温下易测定组成的系统,如水盐系统。 热分析法:绘制金属相图最常用的实验方法。原理:测定系统由高温均匀冷却过程中的时间、温度数据,绘制冷却曲线。根据冷却曲线可分析相态变化(若在均匀冷却过程无相变化,系统温度将随时间均匀下降。若系统在均匀冷却过程中有相变化,由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消,步冷曲线就会出现转折或水平线段,转折点所对应的温度,即为该组成体系的相变温度。)。 简单二组分凝聚系统,其步冷曲线有三种类型。 图 6.1(a)为纯物质的步冷曲线。冷却过程中无相变发生时,系统温度随时间均匀降低,至b点开始有固体析出,建立单组分两相平衡,f=0,温度不变,步冷曲线出现水平段bc,直至液体全部凝固(c点),温度又继续均匀下降。水平段所对应的温度为纯物质凝固点。 图6.1(b)为二组分混合物的冷却曲线。冷却过程中无相变发生

时,系统温度随时间均匀降低,至b 点开始有一种固体析出,随着该固体析出,液相组成不断变化,凝固点逐渐降低,到c 点,两种固体同时析出,固液相组成不变,系统建立三相平衡,此时f=0,温度不随时间变化,步冷曲线出现水平段cd ,当液体全部凝固(d 点),温度又继续均匀下降。水平段cd 所对应的温度为二组分的低共熔点温度。 图6.1(c)为二组分低共熔混合物的步冷曲线。冷却过程中无相变发生时,系统温度随时间均匀降低,至b 点,两种固体按液相组成同时析出,系统建立三相平衡,f=0,温度不随时间变化,步冷曲线出现水平段bc ,当液体全部凝固(c 点),温度又继续均匀下降。 由于冷却过程中常常发生过冷现象,其步冷曲线如图6.1虚线所示。轻微过冷有利于测量相变温度;严重过冷,却会使相变温度难以确定。 以横轴表示混合物的组成,纵轴表示温度,利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据,就可绘出相图,见图6.2。 6.1 生成简单低共熔混合物的二组分系统 T /K (a) (b) (c) 图 6.2 简单低共熔二组分系统冷却曲线及相

二组分固液相图

5.4二组分系统的固~液平衡 5.4.1形成低共熔物的固相不互溶系统 当所考虑平衡不涉及气相而仅涉及固相和液相时,则体系常称为"凝聚相体系"或"固液体系"。固体和液体的可压缩性甚小,一般除在高压下以外,压力对平衡性质的影响可忽略不计,故可将压力视为恒量。由相律: 因体系最少相数为Φ=1,故在恒压下二组分体系的最多自由度数f*=2,仅需用两个独立变量就足以完整地描述体系的状态。由于常用变量为温度和组成,故在二组分固液体系中最常遇到的是T~x(温度~摩尔分数)或T~ω(温度~质量分数)图。 二组分固~液体系涉及范围相当广泛,最常遇到的是合金体系、水盐体系、双盐体系和双有机物体系等。在本节中仅考虑液相中可以完全互溶的特殊情况。这类体系在液相中可以互溶,而在固相中溶解度可以有差别。故以其差异分为三类:(1)固相完全不互溶体系;(2)固相部分互溶体系和(3)固相完全互溶体系。进一步分类可归纳如下: 研究固液体系最常用实验方法为“热分析”法及“溶解度”法。本节先在“形成低共熔物的固相不互溶体系”中介绍这两种实验方法,然后再对各种类型相图作一简介。 (一)水盐体系相图与溶解度法

1.相图剖析 图5-27为根据硫酸铵在不同温度下于水中的溶解度实验数据 绘制的水盐体系相图,这类构成相图的方法称为"溶解度法"。 纵坐标为温度t(℃),横坐标为硫酸铵质量分数(以ω表 示)。图中FE线是冰与盐溶液平衡共存的曲线,它表示水 的凝固点随盐的加入而下降的规律,故又称为水的凝固点降 低曲线。ME线是硫酸铵与其饱和溶液平衡共存的曲线,它 表示出硫酸铵的溶解度随温度变化的规律(在此例中盐溶解 度随温度升高而增大),故称为硫酸铵的溶解度曲线。一般 盐的熔点甚高,大大超过其饱和溶液的沸点,所以ME不可 向上任意延伸。FE线和ME线上都满足Φ =2,f *=1,这意 味温度和溶液浓度两者之中只有一个可以自由变动。 FE线与ME线交于E点,在此点上必然出现冰、盐和盐溶液三相共存。当Φ=3 时,f*=0 ,表明体系的状态处于E点时,体系的温度和各相的组成均有固定不变的数值;在此例中,温度为 -18.3℃,相应的硫酸铵浓度为 39.8%。换句话说,不管原先盐水溶液的组成如何,温度一旦降至 -18.3℃,体系就出现有冰(Q 点表示)、盐(I点表示)和盐溶液(E点表示)的三相平衡共存,连接同处此温度的三个相点构成水平线QEI,因同时析出冰、盐共晶体,故也称共晶线。此线上各物系点(除两端点Q和I外)均保持三相共存,体系的温度及三个相的组成固定不变。倘若从此类体系中取走热量,则会结晶出更多的冰和盐,而相点为E的溶液的量将逐渐减少直到消失。溶液消失后体系中仅剩下冰和盐两固相,Φ=2,f*=1,温度可继续下降即体系将落入只存在冰和盐两个固相共存的双相区。若从上向下看E点的温度是代表冰和盐一起自溶液中析出的温度,可称为"共析点"。反之,若由上往下看E点温度是代表冰和盐能够共同熔化的最低温度,可称为"最低共熔点"。溶液E凝成的共晶机械混合物,称为"共晶体"或"简单低共熔物"。不同的水盐体系,其低共熔物的总组成以及最低共熔点各不相同,表5-7列举几种常见的水盐体系的有关数据。 表5-7 某些盐和水的最低共熔点及其组成

二组分固液系统相图的测定

二组分固液系统相图的测定 一、实验目的 1、利用步冷曲线建立二组分铅---锡固液系统相图的方法。 2、介绍PID 温度控制技术和热电阻的使用。 二、实验原理 本实验的目的是通过热分析法获得的数据来构建一个相图,用于表示不同温度、组成下的固相、液相平衡。不同组成的二组分溶液在冷却过程中析出固相的温度可以通过观察温度 – 时间曲线的斜率变化进行检测。当固相析出时,冷却速率会变得比较慢,这可归因于固化过程释放的热量部分抵消了系统向低温环境辐射和传导的热量。 A B B%a b c e f B (c )%I II III I II III B T/K t (a ) (b ) 图8.1 二元简单低共熔物相图(a ) 及其步冷曲线(b ) 图8.1(a )是典型的二元简单低共熔物相图。图中A 、B 表示二个组分的名称,纵轴是物理量温度T ,横轴是组分B 的百分含量B %。在acb 线的上方,系统只有一个相(液相)存在;在ecf 线以下,系统有两个相(固相A 和固相B )存在;在ace 所包围的区域内,一个固相(固体A )和一个液相(A 在B 中的饱和熔化物)共存;在bcf 所包围的区域内,一个固相(固体B )和一个液相(B 在A 中的饱和熔化物)共存。c 点有三相(互不相溶的固

体A 和固体B ,以及A 、B 的饱和熔化物液相)共存,根据相律,在压力确定的情况下,三相共存时系统的自由度为零,即三相共存的温度为一定值,在相图上表现为一条通过c 点的水平线,处于这个平衡状态下的系统温度T c 、系统组成A 、B 和B (c )%均不可改变,T c 和B (c )%构成的这一点称为低共熔点。 热分析法是绘制相图的常用实验方法,将系统加热熔融成一个均匀的液相,然后让系统缓慢冷却,以系统温度对时间作图得到一条曲线,称为步冷曲线或冷却曲线。曲线的转折点表征了某一温度下发生相变的信息,由系统组成和相变点温度可以确定相图上的一个点,多个实验点的合理连接就形成了相图上的相线,并构成若干相区。图1(b )是与相图对应的不同组成系统的步冷曲线。 三、仪器与药品 SWKY-1型数字控温仪、KWL —09可控升降温电炉、Pt-100热电阻温度传感器、配套软件、样品管(南京桑力电子设备厂) 锡(化学纯),铅(化学纯),铋(化学纯),苯甲酸(化学纯) 本实验装置由三部分组成:SWKY-1型数字控温仪、KWL —09可控升降温电炉和数据采集计算机系统(图8.2)。 图8.2 合金相图测定实验装置图 ② ① ③ ④ ⑤

物理化学实验报告二组分简单共熔合金相图绘制

一、实验目的 1.掌握步冷曲线法测绘二组分金属的固液平衡相图的原理和方法。 2、了解固液平衡相图的特点,进一步学习和巩固相律等有关知识。 二、主要实验器材和药品 1、仪器:KWL-II金属相图(步冷曲线)实验装置、微电脑控制器、不锈钢套管、硬质玻璃样品管、托盘天平、坩埚钳 2、试剂:纯锡(AR)、纯铋(AR)、石墨粉、液体石蜡 三、实验原理 压力对凝聚系统影响很小,因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响,故根据相律,二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量,其相图为温度组成图。 、 较为简单的组分金属相图主要有三种:一种是液相完全互溶,凝固后固相也能完全瓦溶成固体混合物的系统最典型的为Cu- Ni系统;另一种是液相完全互溶,而固相完全不互溶的系统,最典型的是Bi- Cd 系统;还有一种是液相完全互溶,而固相是部分互溶的系统,如Pb- Sn 或Bi- Sn系统。 研究凝聚系统相平衡,绘制其相图常采用溶解度法和热分析法。溶解度法是指在确定的温度下,直接测定固液两相平衡时溶液的浓度,然后依据测得的温度和溶解度数据绘制成相图。此法适用于常温F易测定组成的系统,如水盐系统。 热分析法(步冷曲线法)则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系,这是绘制金属相图最常用和最基本的实验方法。它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时,潜热的释出或吸收及热容的突变,来得到金属或合金中相转变温度的方法。其原理是将系统加热熔融,然后使其缓慢而均匀地冷却,每隔定时间记录一次温度,物系在冷却过程中温度随时间的变化关系曲线称为步冷曲线(又称为冷却曲线)。根据步冷曲线可以判断体系有无相变的发生。当体系内没有相变时,步冷曲线是连续变化的;当体系内有相变发生时,步冷曲线上将会出现转折点或水平部分。这是因为相变时的热效应使温度随时间的变化率发生了变化。因此,由步冷曲线的斜率变化可以确定体系的相变点温度。测定不同组分的步冷曲线,找出对应的相变温度,即可绘制相图。 图3- 15(b)是具有简单低共熔点的A- B二元系相图,左右图中对应成分点、的步冷曲线。下面对步冷曲线作简单分析。 在固定压力不变的条件下,相律为: f=c-φ+1 (3-6-1) 式中:c为独立组分数;为相数。 》 对于纯组分熔融体系,c=1,q=1。在冷却过程中若无相变化发生,其温度随时间变化关系曲线为平滑曲线。到凝固点时,固液两相平衡,=2,自由度为0,温度不变,出现水平线段。等体系全部凝固后,其冷却情况同纯熔融体系一样,呈一平滑曲线。图3- 15(a)中曲线ave属于这种情况。

二组分共熔体系相图

二组分简单共熔系统相图的绘制 1 实验目的 (1) 用热分析法测绘Sn-Pb二组分金属相图。 (2) 掌握热电偶测量温度的原理及校正方法。 (3) 了解热分析法测量技术。 2 实验原理 相图就是通过图形来描述多相平衡体系的宏观状态与温度、压力及组成的相互关系,具有重要的生产实践意义。 对于二组分体系,C=2,f=4- 。由于我们所讨论的体系至少有一个相,所以自由度数最多为3。即二组分体系的状态可以由三个独立变量所决定,这三个变量通常为温度、压力及组成,所以二组分体系的状态图要用具有三个坐标的立体图来表示。由于立体图在平面纸上表示起来很不方便,因此我们一般固定一个变量,如压力,得到一个两个变量的状态图。在二组分体系中,温度-组成(T -X)图表示体系状态与组成之间的相互关系。 测绘金属相图常用的实验方法是热分析法,其原理是将一种金属或合金熔融后,使之均匀冷却,记录稳定随时间的变化趋势。表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时,其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时,相变热使冷却曲线出现转折或形成水平线段,转折点所对应的温度即为该组成合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据,以横轴表示混合物的组成,纵轴上标出开始出现相变的温度,把这些点连接起来,就可绘出相图。 二元简单共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。

图1 a.步冷曲线 b.有过冷现象时的步冷曲线 c.根据步冷曲线绘制相图用热分析法测绘相图时,被测体系必须时时处于或接近相平衡状态,因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。此外,在冷却过程中,一个新的固相出现以前,常常发生过冷现象,使折点发生起伏,见图1.1.b。遇此情况,可延长dc线与ab线相交,交点e即为转折点。 3 仪器与试剂 仪器:镍铬-镍硅热电偶1支;EF-07金属相图实验装置1套(包括加热单元,数显单元);sunyLAB200A实验数据分析记录仪;石英样品皿7支;电脑。 试剂:Sn;Pb;Bi(均为AR);石墨。 4 实验步骤 1)热电偶为市售凯装热电偶,样品配置部分由实验室事先完成; 2)仪器部分见图2。 图2 步冷曲线测定装置图

【实验】【二组分固液系统相图的测定】

同济大学物理化学实验报告 实验名称:____二组分固液系统相图的测定___姓名:_________李健___________学号:________1251654___________合作者:________靳凯___________院系:______材料科学与工程________专业班级:___材料科学与工程2012级2班___实验日期:________2014/5/6__________

一、摘要: 本实验采用热分析法来绘制铅-锡相图。将系统加热熔融成均匀的液相,然后让系统缓慢冷却,得到时间对温度的步冷曲线,曲线的转折点温度和系统组成可确定相图上的一个点,本实验通过测定十个不同组分系统。 二、关键词: 热分析法、步冷曲线、相变点温度、系统组成、相图 三、内容简介: 本实验测定含锡百分数为0、10%、15%、20%、35%、50%、62%、80%、95%、100%的铅锡混合样品的步冷曲线,读取步冷曲线上的相变点温度,以组成比对相变点温度作图得到相图。 四、实验原理: 二组分固-液相图是描述体系温度与二组分组成之间关系的图形。 若二组分体系的两个组分在固相完全不溶,在液相可完全互溶,一般具有简单低共熔点,其相图具有比较简单的形式。根据相律,对于具有简单低共熔点的二组分体系,其相图可分为三个区域,即液相区、固液共存区和固相区。 绘制相图时,由步冷曲线法可以根据不同组成样品的相变温度(即凝固点)绘制出这三个区域的交界线—液相线,即图1(b)中的T1E和T2E,并找出低共熔点E所处的温度和液相组成。 步冷曲线法又称热分析法,是绘制相图的基本方法之一。它是将某种组成的样品加热至全部熔融,再均速冷却,测定冷却过程中样品的温度–时间关系,即步冷曲线。根据步冷曲线上的温度转折点获得该组成的相变点温度。 (原理图)

实验五 二组分凝聚系统相图

南昌大学物理化学实验报告 学生姓名:李江生学号:5802216018 专业班级:安全工程161班实验日期:2018-04-17 实验五二组分凝聚系统相图 一、实验目的 (1)掌握热分析法(步冷曲线法)测绘Bi-Sn二组分凝聚系统相图的原理和方法。 (2)了解简单固液相图的特点、步冷曲线及相图中各曲线代表的物理意义巩固相律等有关知识。 二、实验原理 压力对凝聚系统影响很小,因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响,故根据相律,二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量,其相图为温度-组成图。 热分析法:其原理是将系统加热融化,然后使其缓慢而均匀地冷却,每隔一定时间记录一次温度,绘制温度与时间的关系曲线——步冷曲线。若系统在均匀冷却过程中无相变化,其温度将随时间均匀下降;若系统在均匀冷却过程中有相变化,由于体系产生的相变热与体系放出的热量相抵消,步冷曲线就会出现转折或水平线段,转折点所对应的温度,即为该组成体系的相变温度。 由于冷却过程中常常发生过冷现象,其步冷曲线常如上图中虚线所示,由横轴表示混合物的组成,纵轴表示温度,利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据,就可以绘出相图,如下图:

简单低共熔混合物二组分系统步冷曲线及相图 三、仪器与药品 步冷曲线测定装置1套(可控升降温电炉1台,数字控温仪1台,控温探头I,测温探头Ⅱ),不锈钢试样管5只,坩埚钳1把,劳保手套1副,Sn、Bi及其合金。 四、实验步骤 1、将数字控温仪温度Ⅰ设定为320℃,按“工作/置数”按钮,切换到工作状态。传感器Ⅰ插入加热炉Ⅰ样品管口内;传感器Ⅱ插入加热炉Ⅱ样品管口内;加热到320℃; 2、将“冷风量调节”旋钮逆时针旋到底,加热使温度降为250℃左右后; 3、适当调节“冷风量调节”旋钮,使温度降温绘制步冷曲线,降温速率控制为6-8℃/min,以便找到曲线拐点; 4、打开金属相图软件,设置绘步冷曲线图坐标; 5、实验结束后,关闭仪器电源,将实验桌面整理干净。 五、数据记录与处理 由以上数据作图得:

二组分简单共熔体系相图的绘制

实验七二组分简单共熔体系相图的绘制 ------Cd~Bi二组分金属相图的绘制 1 实验目的及要求: 1)应用步冷曲线的方法绘制Cd~Bi二组分体系的相图。 2)了解纯物质和混合物步冷曲线的形状有何不同,其相变点的温度应如何确定。 2 实验原理:… 用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何,不同相的相对量是多少,以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图,叫相图。 绘制相图的方法很多,其中之一叫热分析法。在定压下把体系从高温逐渐冷却,作温度对时间变化曲线,即步冷曲线。体系若有相变,必然伴随有热效应,即在其步冷曲线中会出现转折点。从步冷曲线有无转折点就可以知道有无相变。测定一系列组成不同样品的步冷曲线,从步冷曲线上找出各相应体系发生相变的温度,就可绘制出被测体系的相图,如图Ⅱ一6一l所示。 纯物质的步冷曲线如①⑤所示,从高温冷却,开始降温很快,口6线的斜率决定于体系的散热程度。冷到A的熔点时,固体A开始析出,体系出现两相平衡(溶液和固体A),此时温度维持不变,步冷曲线出现bc的水平段,直到其中液相全部消失,温度才下降。 混合物步冷曲线(如②、④)与纯物质的步冷曲线(如①、⑤)不同。如②起始温度下降很快(如a′b′段),冷却到b′点的温度时,开始有固体析出,这时体系呈两相,因为液相的成分不断改变,所以其平衡温度也不断改变。由于凝固热的不断放出,其温度下降较慢,曲线的斜率较小(b′c′段)。到了低共熔点温度后,体系出现三相,温度不再改变,步冷曲线又出现水平段c′d′,直到液相完全凝固后,温度又迅速下降。 曲线⑧表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线,其图形与纯物相似,但它的水平段是三相平衡。 用步冷曲线绘制相图是以横轴表示混合物的成分,在对应的纵轴标出开始出现相变(即步冷曲线上的转折点)的温度,把这些点连接起来即得相图。 3 仪器与药品: 加热电炉1只,热电偶(铜一康铜)1根,不锈纲试管8只,控温测定装置1台,计算机1台,镉(化学纯),铋(化学纯)。 4 实验步骤: 1)配制不同质量百分数的铋、镉混合物各100g(含量分别为0%,15%,25%,40%,55%,75%,90%,100%),分别放在8个不锈纲试管中。 2)用控温测定装置装置,依次测纯镉、纯铋和含镉质量百分数为90%,75%,55%,40%,25%,15%样品的步冷曲线。将样品管放在加热电炉中加热,让样品熔化,同时将热电偶的热端(连玻璃套管)插入样品管中,待样品熔化后,停止加热。用热电偶玻璃套管轻轻

大学物理化学5-相图课后习题及答案

相图 一、是非题 下述各题中的说法是否正确?正确的在题后括号内画“√”,错的画“?”。 1.相是指系统处于平衡时,系统中物理性质及化学性质都均匀的部分。( ) 2.依据相律,纯液体在一定温度下,蒸气压应该是定值。( ) 3.依据相律,恒沸温合物的沸点不随外压的改变而改变。( ) 二、选择题 选择正确答案的编号,填在各题题后的括号内。 1NH4HS(s)和任意量的NH3(g)及H2 S(g)达平衡时有:( )。 (A)C=2,φ=2,f =2;(B) C=1,φ=2,f =1; (C) C=1,φ=3,f =2;(D) C=1,φ=2,f =3。 2已知硫可以有单斜硫,正交硫,液态硫和气态硫四种存在状态。硫的这四种状态____稳定共存。 (A) 能够;(B) 不能够;(C) 不一定。 3硫酸与水可形成H2SO4?H2O(s),H2SO4?2H2O(s),H2SO4?4H2O(s)三种水合物,问在101 325Pa的压力下,能与硫酸水溶液及冰平衡共存的硫酸水合物最多可有多少种?( ) (A) 3种;(B) 2种;(C) 1种;(D) 不可能有硫酸水合物与之平衡共存。 4将固体NH4HCO3(s) 放入真空容器中,恒温到400 K,NH4HCO3按下式分解并达到平衡:NH4HCO3(s) === NH3(g) + H2O(g) + CO2(g) 系统的组分数C和自由度数f为:( ) (A) C=2,f =2;(B) C=2,f =2; (C) C=2,f =0;(D) C=3,f =2。 5某系统存在C(s)、H2O(g)、CO(g)、CO2(g)、H2(g)五种物质,相互建立了下述三个平衡: H 2O(g)+C(s) H2(g) + CO(g) CO 2(g)+H2(g) H2O + CO(g) CO 2(g) + C(s) 2CO(g) 则该系统的独立组分数C为:( )。 (A) 3;(B) 2;(C) 1;(D) 4。 三、计算题 习题1 A,B二组分在液态完全互溶,已知液体B在80?C下蒸气压力为101.325 kPa,汽化焓为30.76 kJ·mol-1。组分A的正常沸点比组分B的正常沸点高10 ?C。在101.325kPa下将8 mol A和2 mol B混合加热到60 ?C产生第一个气泡,其组成为y B=0.4,继续在101.325 kPa下恒压封闭加热到70?C,剩下最后一滴溶液其组成为x B=0.1。将7 mol B和3 mol A气体混合,在101.325 kPa下冷却到65?C产生第一滴液体,其组成为x B=0.9,继续定压封闭冷却到55?C时剩下最后一个气泡,其组成为y B=0.6。 (1) 画出此二组分系统在101.325kPa下的沸点一组成图,并标出各相区; (2) 8 mol B和2 mol A的混合物在101.325 kPa,65 ?C时,

Sn-Bi二组分固液相图的绘制

S n-B i二组分固液相图 的绘制 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

Sn-Bi 二组分固液相图的绘制 【实验目的】 1. 掌握热分析法绘制二组分固液相图的原理和方法。 2. 了解纯物质与混合物步冷曲线的区别并掌握相变点温度的确定方法。 3. 了解简单二组分固-液相图的特点。 4. 掌握数字控温仪及KWL-80可控升温电炉的使用方法。 【实验原理】 压力对凝聚系统影响很小,因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响,故根据相律,二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量,其相图为温度-组成图。 热分析法:其原理是将系统加热融化,然后使其缓慢而均匀地冷却,每隔一定时间记录一次温度,绘制温度与时间的关系曲线——步冷曲线。若系统在均匀冷却过程中无相变化,其温度将随时间均匀下降;若系统在均匀冷却过程中有相变化,由于体系产生的相变热与体系放出的热量相抵消,步冷曲线就会出现转折或水平线段,转折点所对应的温度,即为该组成体系的相变温度。 由于冷却过程中常常发生过冷现象,其步冷曲线常如上图中虚线所示,由横轴表示混合物的组成,纵轴表示温度,利用步冷曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据,就可以绘出相图,如下图: (a )纯物质的步冷曲 (b )二组分混合物的步冷曲线 (c )二组分低共熔混合

【仪器与试剂】 SWKY 数字控温仪1台;KWL-08可控升降温电炉1台;不锈钢样品管1支;炉膛保护筒1个;传感器1支。 纯Bi ;纯Sn ;石灰粉等。 【实验步骤】 1. (配含铋分别为0、20%、40%、70%、80%、100%(质量分数)的铋-锡混合物各100g ,分别装入不锈钢样品管中,再加入少许石墨粉覆盖试样,以防加热过程中试样接触空气而氧化。) 2. 按图2-16连接SWKY 数字控温仪与KWL-08可控升降温电炉,接通电源,将电炉置于 外控状态。 T B t/min W B /% 简单低共熔混合物二组分系统步冷曲线及相图

二组分合金系统相图的绘制

综合测试实验 一、目的要求 1.用热分析步冷曲线法绘制铋-镉二组分金属相图 2.掌握热分析法的测量技术 二、基本原理 较为简单的二组分金属相图主要有三种: 一种是液相完全互溶,固相也完全互溶成固溶体的系统,最典型的为Cu-Ni 系统;一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统,最典型的是Bi-Cd系统;还有一种是液相完全互溶,固相是部分互溶的系统,如Pb-Sn系统,本实验研究的是Bi-Cd系统。 热分析中的步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一。它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时,热量的释放或吸收及热容的突变,得到金属或合金中相转变温度的方法。 本实验是先将金属或合金全部熔化,然后让其在一定的环境中冷却,并在电脑上自动画出温度随时间变化的关系曲线—步冷曲线(见图1)。 当熔融的系统均匀冷却时,如果系统不发生相变,则系统的温度随时间的变化是均匀的,冷却速率较快(如图1中ab线段);若在冷却过程中发生了析出固体的相变,由于在相变过程中伴随着放热效应,所以系统的温度随时间变化的速率发生改变,系统的冷却速率减慢,步冷曲线上出现转折(如图1中b 点)。当熔液继续冷却到某一点时(如图1中c点),系统以低共熔混合物固体析出,在低共熔混合物全部凝固以前,系统温度保持不变,因此步冷曲线上出现水平线段(如图1中cd线段);当熔液完全凝固后,温度才迅速下降(如图1中的线段)。 图1步冷曲线图2步冷曲线与相图 由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物体系,可以根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的步冷曲

线的各转折点,即可画出二组分系统的相图(温度-组成图)。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图2所示。 用步冷曲线法绘制相图时,被测系统必须时时处于接近相平衡状态,因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。 三、仪器和试剂 1.仪器: ZR-HX金属相图试验装置一套;电脑一台(四套公用) 2.试剂: 铋(分析纯、熔点为544.5 K)、镉(分析纯、熔点为594.1 K) 四、实验步骤 1.配制试样: 配制含铋质量分数分别为20%、40%、60%、80%的Bi-Cd合金150g,再称纯Bi、纯Cd各150 g,分别放入6个不锈钢试管中,上面滴入约1 mL的硅油。在放入感温元件的细筒中也要滴入几滴硅油。 2.准备工作 (1)根据控制器所接位置,分别选择“A”或“B”加热器(可以根据情况只接一个加热器) (2)检查主机、从机和中继器的电源线连接是否可靠 (3)检查各从机温度传感器与仪器连接是否可靠 (4)用通讯电缆将中继器“主机”接口与主机串行通口连接 (5)用通讯电缆将中继器“从机”接口分别与从机连接 (6)检查各线、缆连接无误后先后接通从机、中继器和主机电源

固液二组分相图

Ⅰ、目的要求 1.了解固-液相图的基本特点。 2.用热分析法测绘铅—锡二组分金属相图。 3.学会热电偶的制作、标定。的测温技术 Ⅱ、基本原理 相图是多相(两相及两相以上)体系处于相平衡态时体系的某物理性质(最常见是温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形;图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等),故称为相图。二元或多元的相图常以组成为变量,其物理性质则大多取温度,由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件(如自变量不同)下相平衡情况,故研究多相体系的性质以及多相体系平衡的演变(例如,冶金工业钢铁、合金冶炼过程;化学工业原料分离制备过程)等都要用到。 二组分体系的自由度与相的数目有以下关系: 自由度=组分数-相数+2 由于一般物质其固、液两相的摩尔体积相差不大,所以固-液相图手外界压力的影响颇小。这是它与气-液平衡体系的最大差别。 各种体系不同类型相图的解析在物理化学课程中占有重要地位。对相图的制作有很多方法,统称为物理化学分析,而对凝聚相研究(如固-液、固-固相等),最常用的方法是液、固借助相变过程中温度变化而产生的,观察这种热效应的变化情况,以确定一些体系的相态变

化关系,最常用的方法就是热分析及差热分析方法。本实验就是用热分析法绘制二元金属相图。 二组分金属相图是表示两种金属混合体系组成与凝固点关系的图。由于此体系属凝聚体系,一般视为不受压力影响,通常表示为固液平衡时液相组成与温度的关系。若两种金属在固相完全不溶,在液相可完全互溶,其相图具有比较简单的形式。 步冷曲线法是绘制相图的基本方法之一,是通过测定不同组成混合体系的冷却曲线来确定凝固点与溶液组成的关系。通常是将金属混合物或其合金加热全部熔化,然后让其在一定的环境中自行冷却,根据温度与时间的关系来判断有无相变的发生。图1是二元金属体系一种常见的步冷曲线。图2是两组分金属固液相图。图3有过冷现象时的步冷曲线。 当金属混合物加热熔化后冷却时,由于无相变发生,体系的温度随时间变化较大,冷却较快(1~2段)。若冷却过程中发生放热凝固,产生固相,将减小温度随时间的变化,使体系的冷却速度减慢(2~3段)。当融熔液继续冷却到某一点时,如3点,由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变,步冷曲线出现平台,(如图3~4段)。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后,体系温度又继续下降(4~5段)。若图III-5-1中的步冷曲线为图III-5-2中总组成为P的混合体系的冷却曲线,则转折点2 相

物理化学-实验七:二组分固液相图的绘制

实验七 二组分固-液相图的绘制 一、实验目的及要求 1.掌握用步冷曲线法测绘二组分金属固液平衡相图的原理和方法; 2.了解采用热电偶进行测温、控温的原理和装置。 二、实验原理 用来表示多相体系的温度、压力与体系中各组分的状态、组成之间关系的平面图形称为相图。二组分固-液相图是描述体系温度与二组分组成之间关系的图形。由于固液相变体系属凝聚体系,一般视为不受压力影响,因此在绘制相图时不考虑压力因素。 若二组分体系的两个组分在固相完全不溶,在液相可完全互溶,一般具有简单低共熔点,其相图具有比较简单的形式。根据相律,对于具有简单低共熔点的二组分体系,其相图可分为三个区域,即液相区、固液共存区和固相区。绘制相图时,根据不同组成样品的相变温度(即凝固点)绘制出这三个区域的交界线—液相线,即图1(b )中的T 1E 和T 2E ,并找出低共熔点E 所处的温度和液相组成。 步冷曲线法又称热分析法,是绘制相图的基本方法之一。它是将某种组成的样品加热至全部熔融,再均速冷却,测定冷却过程中样品的温度 – 时间关系,即步冷曲线。根据步冷曲线上的温度转折点获得该组成的相变点温度。 步冷曲线有三种形式,分别如图1(a )中的a 、b 和c 三条曲线。a 曲线是纯物质A 的步冷曲线。在冷却过程中,当体系温度到达A 物质凝固点时,开始析出固体,所释放的熔化热抵消了体系的散热,使步冷曲线上出现一个平台,平台的温度即为A 物质的凝固点。纯B 步冷曲线e 的形状与此相似。 a b c d e a b c d e A B x B t 液相区 固液共存区固相区低共熔点 T 1 T 2 T T (a )(b )E 图1 步冷曲线 b 曲线是由主要为A 物质但含有少量B 物质样品的步冷曲线。由于含有B 物质,使得凝固点下降,在低于纯A 凝固点的某一温度开始析出固体A ,但由于固体析出后使得B 的浓度升高,凝固点进一步下降,所以曲线产生了一个转折,直到当液态组成为低共熔点组成时,A 、B 共同析出,释放较多熔化热,使得曲线上又出现平台。如果液相中B 组分含量比共熔点处B 的含量高,则步冷曲线形状与此相同,只是先析出纯B ,如图中曲线d 。 c 曲线是当样品组成等于低共熔点组成时的步冷曲线。形状与A 相同,但在平台处A 、B 同时析出。 配制一系列不同组成的样品,测定步冷曲线,找出转折点温度及平台温度,将温度与组

二组分固液相图的绘制

表-1 t/min T/℃ 纯铅锡20% 锡40% 锡61.9% 锡80% 纯锡 0 395.4 395.3 397.5 398.7 399.3 394.5 1 385.3 387.0 396.8 385.3 391.3 384.9 2 374.4 378.5 396.6 375.0 383.5 375.5 3 365.3 369.8 367.3 365.1 375.0 365.7 4 355.2 363. 5 353.8 354. 6 367.8 357.9 5 346.8 356.9 345.0 346.2 359.8 350.0 6 338. 7 348. 8 335.1 336. 9 353.1 341.8 7 329.6 342.1 327.2 329.6 346.7 334.5 8 322.9 335.8 319.5 322.6 339.6 327.6 9 317.8 328.8 311.5 315.4 333.9 320.8 10 311.8 323.2 305.2 309.3 327.3 314.8 11 306.6 316.2 298.6 303.6 321.1 307.2 12 302.2 311.8 293.2 297.3 315.8 302.5 13 298.6 307.2 288.1 292.0 311.0 296.3 14 294.4 302.5 282.1 286.6 306.4 291.2 15 288.7 298.9 276.8 285.0 302.2 286.1 16 283.4 295.3 271.2 275.2 297.4 280.4 17 277.9 291.1 264.8 269.3 293.0 275.5 18 270.6 287.3 259.4 264.4 288.5 271.1 19 264.0 282.3 254.5 257.7 283.3 266.5 20 256.8 277.5 248.9 254.4 278.6 261.7 21 250.8 272.2 244.3 250.2 273.5 257.6 22 245.3 266.2 239.3 245.8 269.3 252.9 23 239.2 261.3 235.1 241.3 265.1 249.2 24 234.5 256.7 231.0 237.4 260.5 245.3 25 230.0 252.0 226.5 233.0 256.6 241.1 26 225.1 247.9 222.7 229.4 252.9 237.6 27 221.0 244.2 219.0 225.9 248.8 233.8 28 217.1 240.3 215.0 221.9 245.3 230.5 29 212.7 236.7 211.5 218.7 241.1 227.2 30 209.1 232.6 208.2 215.4 238.7 223.7 31 205.6 229.2 204.5 211.9 234.9 220.9 32 201.7 225.7 201.5 209.6 231.2 224.5 33 198.1 221.9 198.1 209.4 228.3 230.6 34 194.7 218.7 195.4 208.1 225.3 231.1 35 191.7 215.0 192.9 206.7 222.0 231.1 36 188.7 212.0 190.3 204.9 219.3 230.9

二组分凝聚系统相图实验报告

二组分凝聚系统相图 一、实验目的 1.熟悉热分析法测绘Sn-Pb二组分凝聚系统相图的原理; 2.掌握热电偶测温的基本原理。 二、实验原理 热分析法是绘制凝聚系统相图的基本方法之一。其原理是根据系统在加热或冷却过程中发生相变所对应的温度来确定系统的状态图。当一个熔融系统均匀冷却时,如无相变化,它的温度将连续均与地下降,在温度-时间图上将得到一条平滑的曲线;如在冷却过程中发生了相变,则令温度下降减缓甚至因新相析出所放出的热量抵消了散失的热量而令温度不变,于是冷却曲线上就会出现转折点或水平线段,而产生水平或转折的温度就是发生相变的温度。 本实验所测定的是具有最低共熔点的固态部分互溶的Sn-Pb系统,实验室测定一系统冷却曲线。如图1(a)中的曲线A为Pb的冷却曲线,熔融的Pb 在高于327℃时,系统中只有液态的Pb,根据相律F=C-P+1可知,单组分系统的自由度为1,故温度可以改变且均匀下降。当逐渐冷却至温度为327℃时,Pb开始凝固,此时系统为两相共存,其自由度为零,即冷却曲线上出现水平线段。当Pb全部凝固后,系统自由度变为1,系统的温度又均匀下降。 图1(a)中曲线E所示的是组成为61.9%Sn的冷却曲线。它和纯金属的冷却曲线很相像,当液体冷却到一定温度时,从液体中同时析出两个固相,三相共存,因此自由度为零,故也出现水平段。此温度是低共熔温度。 对含Sn量在19.5%-97.4%之间的其他样品,冷却曲线比较复杂。本实验中测试的是组分为30%Sn和80%Sn的系统。以30%Sn系统为例,开始均匀冷却,当冷却到图中C点处温度时,开始析出α固溶体,此时自由度为1,温度仍可变化,但由于固相析出而放出相变热,使冷却速度减慢,冷却曲线斜率变小,出现转折点C,随着含有Pb量高的固溶体α的析出,液相中Pb 含量逐渐减少,只有降低温度才能继续析出固体,当温度降到D点处而且液相组成也变成低共熔组成时,另一固溶体β也达到饱和,系统变成三相,自由度为零,冷却曲线上出现水平段,直至液相消失。之后系统只剩下两个相,自由度为1,温度又开始均匀下降。 对Sn含量小于19.5%和含量高于97.5%的样品冷却曲线应该有三个转折点,但本实验热分析方法观测不到。

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