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材料物理化学 复习ch8
第七章 相平衡与相图
主要内容
★ 阐述相律及相图的基本原理
★ 结合实际介绍相图在无机非金属材料的研究和生产
实践中的具体应用
INTRODUCTION
化学热力学的主要研究对象:热平衡、化学平衡与相平衡
溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提纯及金相分析等方面都与相平衡有关。金属
的冶炼、电子陶瓷、玻璃的制备等过程中,需要根据物质相的变化情况来研
究体系(材料)的成分、结构和性能之间的关系。
相平衡:在多相体系中,物质在各相间分布的平衡。特点:相平衡时,各相的组
成及数量不随时间而变化。所包含的相数,各相的状态、数量和组成不变。
(每一种成分在各相中的化学势相等)
状态函数Z=f(T,P,ni)
相图(phase diagram):表达多相平衡体系的状态如何随温度、压力、组成等
变量的变化而发生变化的图形,也称相平衡状态图。
相 律(Phase Rule)
相平衡的热力学条件——吉布斯相律(Gibbs Phase Rule)
相 律 讨论平衡体系中相数、独立组分数与描述该平衡体系的变数之间的关系。
特 点:
对体系作定性描述,只讨论“数目”而不讨论“数值” 。
作 用:
(1)根据相律可以确定有几个因素能对复杂体系中的相平衡发生影响;
(2)在一定条件下体系最多可以有几个相共存等,但它不能确定这些数目具体代表
哪些变量或代表哪些相;
(3)绘制相图时是以实验数据为依据,以相律为指导。
相、组分、自由度
相(Phase):体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分。
注:均匀是微观尺度上的均匀,而非一般意义上的均匀。从微观原子结构观点
来看,特定相代表着一定的原子排列方式;相与相之间在指定条件下有明显的界
面,在界面上宏观性质的改变是飞跃式的;相与物质的数量无关,也与其是否连续
无关;一个相可以是均匀的,但不一定是一种物质。
相 数:体系内相的数目,用 φ表示。 φ= 1 单相体系, φ= 2 双相体系, φ= 3
三相体系
气体,不论有多少种气体混合,能无限混合,只有一个气相。
液体,按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。
固体,一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀,仍是两个
相(固熔体是单相-粒子的分散程度与在溶液中相似);同质固体不同晶型也分属
不同相。
凝聚体系:没有气相的体系。
组分与组分数
物 种:组成体系的所有元素及化合物。物种数用“S”表示。
(独立)组分 (Independent Component) :足以确定平衡体系中的所有各相组成所需
要的最少数目的独立物种,简称组分。其数目称为(独立)组分数(Number of
Component),用符号“K”表示。
K与S间关系如何?
For Example
NH Cl(s)、NH (g)、HCl(g)组成的两相体系
4 3
(1)如三物种间无化学反应,则K=S=3 ;
(2 )三者之间存在化学反应并建立平衡, NH Cl(s) NH (g) HCl(g)
4 3
则K=3-1=2 。其中即使不加入某一组分,它也可由其他的组分借此化学反应而产生。
此体系成为双组分体系。
(3 ) 倘 若 对 体 系 中 NH3(g) 、 HCl(g) 的 浓 度 有 限 制 条 件 , 若 要 求
[NH (g)]=[HCl(g)] ,则K=3-1-1=1 。只用NH Cl(s)一种物质就能通过上述平衡产生
3 4
等量的NH3(g)和HCl(g) 。此体系成为单组分体系。
组分与组分数
K与S间关系:
体系的组分数(K )等于物种数(S )减去各物种之间存在的独立的化学平衡
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