水盐体系相图总复习

1第一节水盐体系第二节盐类的溶解度及其影响因素第三节相图的性质、作用及学习方法第四节相律第五节相图研究的理论依据第一章绪论水盐体系（salt-watersystem）也称作盐水体系，一般是指水和盐组成的体系。水盐体系广泛涉及天然水、湖泊、海水、盐湖卤水、油气田卤水、井卤、盐化生产过程、污水处理和酸雨处理等领域。相图（phasediagram）是描述物质体系相平衡关系的一种几何表达方式，可用于定量描述在特定条件下的物质物相组成、性质、温度和压力之间的关系，在化学、化工、冶金、材料、石油、轻工、地质、生物、陶瓷等科学技术领域里具有十分广泛的应用。水盐体系相图（salt-watersystemphasediagram）是以几何图形表示水和盐组成体系，在稳定平衡和介稳平衡条件下，相的数目、种类、组成、存在条件和各相间的浓度关系，可预测体系中盐类的析出、溶解等相转化规律，探索化工生产过程，确定最佳生产条件、制定最优工艺流程、获得最佳产率等。即以图形的方法研究盐类在水中溶解度变化规律（或者说是盐类与水所形成的各种物相之间相互联系和相互转化规律）的一门课程。1.表示方法水盐系统的表示方法要便于作图和计算。对于二元、三元、四元、五元体系有图形表示和浓度表示方法。2.基准在相图中表示方法和基准是密切相关的。3种常用基准：溶液(总物质)、溶质（或干盐）、水（或溶剂）表1-1浓度表示方法与基准基准组分量的度量单位组分的组成单位1.溶液gg/100g总物质（重量百分比，%wt）molmol/100mol总物质（摩尔百分比，%mol）2.溶质（干盐）gg/100g干盐（g/100g·S）molmol/100mol干盐（J值）3.溶剂（水）gg/100gH2O（g/100g水）molmol/100molH2O4.离子之和（总物质的量）molmol阴离子/100mol阴离子之和（离子浓度）mol阳离子/100mol阳离子之和（离子浓度）mol离子/100mol若干离子之和（J‘值）•例如：20℃时，5克NaCl和20克KCl溶解在100克水中，请用重量百分组成、干基重量组成、摩尔百分组成表示。•解：（1）重量百分组成：•（2）干基重量组成：•%80%100100205100%16%10010020520%4%10010020552OHKClNaCl)100/(400100205100)100/(8010020520)100/(2010020552克盐克克盐克克盐克OHKClNaCl（3）摩尔百分组成：)(56.50.18100)(268.06.7420)(0856.04.5852摩尔摩尔摩尔OHKClNaCl)(91.556.5268.00856.0摩尔%01.94%10091.556.5%54.4%10091.5268.0%45.1%10091.50856.02OHKClNaCl（4）以100g水为基准：25100%5%10020100%20%100100100%100%100NaClKClHO相图的局限性1.相图数据的来源受限制。2.相图反映的是在热力学平衡条件下的规律，这种平衡往往需要几小时、几天甚至更长的时间才能达到。而生产实际中出现的只接近平衡的状态，不是完全的平衡状态。另外，实际过程中还会出现不饱和及过饱和现象、温度的波动、固相转化的不完全、固液分离的不完全等现象，这些都难以在相图中反映。因此，相图分析的结论与实际之间会存在差距。3.相图基于热力学原理，只说明相变过程的始态、终态，不能说明过程进行的速度、原因、机理等。4.复杂的多元体系相图还不完善，还只能用一些近似的手段来反映客观事物。相定义：凡物理状态和化学组成完全均一的部分，在热力学上称为相。组分数组分数是构成平衡体系各相所需要的、可以选择的最少物种数。组分可以是一个化学元素，也可以是一个化合物。组分数是体系的重要依据，又是绘制相图的重要参数，它可以大致反应出体系的复杂程度。水盐体系组分数的简捷表达组分数=体系中组成盐的正、负离子数之和自由度在自然界和化工生产中，人们对体系中各相的存在、消失和生成十分注意。促使各相生成和消失的内在因素是各种盐的浓度、外界条件如温度和压力的变化引起的。而温度、压力和各个盐的浓度是可以独立改变的。有时改变一个变量就会引起相的变化，有时改变两个变量也不会引起相的变化。所谓独立变量的改变，都是指在一定范围内的改变，而不是毫无限制的改变。这个变量的改变不受其他变量的制约，这是独立的含义。最后强调的是，自由度是指参变量的数目，可以是0、1、2、3等。通常，自由度用F表示。相律F＝C－P＋2式中F——独立参变量数目，即自由度；.C——独立组分数；P——平衡共存的相的数目；2——指温度和压力两个变量。水盐体系属于凝聚体系，一般是处在大气之中，因为压力对水盐体系平衡影响甚微，所以可以不考虑压力这一外界变量对平衡的影响。因而对水盐体系，我们用“减相律”，即凝聚体系相律。其表达形式为F＝C－P＋1式中的1指温度这一变量，式中的P不包括气相在内，也不考虑空气的存在。读者在应用时要特别注意。相图研究的理论依据一、连续原理二、相应（对应）原理三、化学变化统一性原理四、奥斯瓦尔德逐次分段进行规则五、相区邻接规则六、直线规则七、杠杆规则八、向量法则九、水盐体系书写的形式及相图绘制要求直线规则当把A、B两种物质混合为系统C时，或者从体系C中分离出组合物A（或B）时，A、B、C三点位于一条直线上，这就是直线规则。杠杆规则A、B、C三点所代表的物料量各与其它两点间的线段的长度成比例，这就是杠杆规则。直线规则和杠杆规则，我们统称直线杠杆规则或称直线反比法则。如果用MA、MB、MC分别代表A、B、C三点的数量，则可列出如下的比例式MA∶MB∶MC=BC∶AC∶AB•所谓反比，就是指每点所代表的数量和其它两点间线段的长度成比例，而不包括本身的那个点。MA和直线BC的长度成比例，MB与直线AC的长度成比例，MC和直线AB的长度成比例。CBAMCMBMA混合过程•当把组合物A、B混合为系统C时，则C点位于AB连线上；A、B、C三点所代表的数量各与其它两点间线段的长度成比例。A+B→C根据直线反比法则可以得到如下比例式，以进行计算由以上三式可以看出，在系统C中，A的含量越多，C点的位置越接近A点（也就是线段BC越长）。对组合物B来说也是一样的。ACBCMMBAABBCMMMMMBAACAABACMMMMMBABCBCBAMCMBMA分离过程当从系统C中分离出组合物A，而构成新体系B时，则B点位于AC的延长线上；A、B、C三点所代表的数量各与其它两点的距离成比例。C-A→BA分离出去越多，B离开A点越远。被分离出去A的数量和线段CB的长度成比例，即或同样，在生产中蒸发过程是分离过程的典型例子，它是把水从系统中分离出来的过程。ACBCMMMMMACABAACBCMMBAABACMMABBCMMCBCA;CBAMCMBMA向量法则该法则是直线杠杆规则的一个运用,其作用在于指明方向。（1）当往物系A中加入B物时体系的状态点向着B的方向移动，向量AB‘的长度和加入组合物B的重量成比例。（2）从体系A中分离出组合物C时，体系的状态点背着C方向变化，向量AC‘的长度和分离出C的重量成比例。（3）在于体系A中加入B，同时分离出C。体系A点的变化是AB‘，AC’的向量和。（4）如果向量和为0，则体系的状态点不变。BCC’B’DA水盐体系书写的形式水盐体系的书写形式（1）按组成体系的各盐的分子式的形式来写，盐类可按下面的顺序排列写：锂盐、钠盐、钾盐、铵盐、镁、钙、氯化物、硝酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐、磷酸盐。如NaCl—KCl－MgCl2－H2O体系或NaNO3－NaCl－KNO3－KCl－H2O体系。水盐体系书写的形式水盐体系的书写形式（2）按离子形式写：正离子按H＋、Li＋、Na＋、K＋、NH4＋、Mg2＋、Ca2＋、Fe2＋等，负离子按OH-、Cl-、Br-、I-、NO3-、SO42-、HCO3-、CO32-等的顺序写。各离子之间用顿号（或逗号）分开，正负离子之间用两条斜竖杠分开。水写在最后，并用一横杠与前面的负离子分开。例如Na＋、K＋／／Cl-、SO42-－H2O体系等。此外还有写成例如Na＇、K＇／／Cl＇、SO4＂－H2O体系等形式的。只要前后一致就好，没有十分严格的规定。第二章二元水盐体系相图第一节简单二元水盐体系图形表示法第二节复杂二元水盐体系相图第三节二元水盐相图的化工过程第四节二元水盐相图的计算方法相律特征组分数等于2的体系是二元体系。它是由一种单盐和水组成，是水盐体系中最简单的类型。例如，KCl－H2O体系或K＋//Cl-－H2O体系．二元水盐体系相律公式为：F=2-P+1=3-P可见，在二元体系中，处于平衡状态的相最多有3个；因相数最少为1，故体系中可以自由变动的变量有2个，即温度和溶液的浓度。浓度变量亦可以称为内部变量。坐标系•横坐标表示组成；纵坐标表示温度，温度用℃表示。•横轴为一定长度，等分为100份，左端点W表示纯水，右端点S（或用其他符号）表示纯盐，见图2－1。2冰+L（W）W20406080100S（S）-50050100150200250300t（℃）DC1345678910111213141516BA未饱和溶液LNaNO3+L冰+NaNO3NaNO3，%（wt）图2-1NaNO3—H2O体系相图E简单二元水盐相图的标绘相图的标绘完全符合连续原理和相应原理。①分析相平衡数据。②建立坐标系。③标出数据点，并编号标点。④连溶解度曲线。⑤确定有关固相的位置。⑥划分相区。2冰+L（W）W20406080100S（S）-50050100150200250300t（℃）DC1345678910111213141516BA未饱和溶液LNaNO3+L冰+NaNO3NaNO3，%（wt）图2-1NaNO3—H2O体系相图E简单相图的点、线、面的意义（1）纵轴左纵轴为纯水一元体系，其中A点为冰点，是液相水与固相冰处于相平衡状态的二相点。右纵轴为NaNO3一元体系，其中B点为熔点，是液态NaNO3与固相NaNO3处于平衡的二相点。F=1-P+1=2-P对于A、B两点，P=2，F=2-2＝02冰+L（W）W20406080100S（S）-50050100150200250300t（℃）DC1345678910111213141516BA未饱和溶液LNaNO3+L冰+NaNO3NaNO3，%（wt）图2-1NaNO3—H2O体系相图E简单相图的点、线、面的意义（2）线曲线BE是NaNO3在水中的溶解度曲线，它表示NaNO3的饱和溶液。曲线AE是NaNO3溶液的结冰线，也称为冰的溶解度曲线。F=2-P+1=3-PP=2，F=2-2+1=1直线CED是固相冰、固相NaNO3及对冰与NaNO3都饱和的液相，是三相共存的三相线。P=3，F=3-3=052冰+L（W）W20406080100S（S）-50050100150200250300t（℃）DC134678910111213141516BA未饱和溶液LNaNO3+L冰+NaNO3NaNO3，%（wt）图2-1NaNO3—H2O体系相图E简单相图的点、线、面的意义（3）E点它表示冰与NaNO3两个固相平衡的饱和溶液，是低共熔冰盐合晶点，也是无变量点。P=3，F=3-3=02冰+L（W）W20406080100S（S）-50050100150200250300t（℃）DC1345678910111213141516BA未饱和溶液LNaNO3+L冰+NaNO3NaNO3，%（wt）图2-1NaNO3—H2O体系相图E（4）区域AEB曲线上方的区域表示不饱和相区。F=2-P+1=3-PP=1，F=2-1+1=2封闭区BEDB是NaNO3固相与其饱和溶液共存区，也称为NaNO3的结晶区。封闭区AECA是冰与冰的饱和溶液共存区，也称为