对于二组分体系, 根据相率:C=2,f=C-Φ+2,Φmin=1,fmax=3, 即有三个独立可变因素,这三个变量通常是T,p和组成x。 所以表示二组分体系状态的相图,需用三个坐标的立体图表示。 但是由于三维立体图一方面难画,另一方面也难理解,所以对于二组分体相图,通常保持一个变量不变,而得到立体图形的截面图,即用直角坐标图表示另外两个量之间的关系,有如下三种情况[1,2,3]:
(1)保持温度不变,得p-x图较常用
(2)保持压力不变,得T-x图常用
(3)保持组成不变,得T-p图不常用。
两个纯液体可按任意比例互溶,每个组分都服从Raoult定律,这样组成了理想的完全互溶双液系,或称为理想的液体混合物,如苯和甲苯,正己烷与正庚烷等结构相似的化合物可形成这种双液系。
1理想的二组分液态混合物—完全互溶双液系相图
1.1 p-x 图
设pA*和pB*分别为液体A和B在指定温度时的饱和蒸气压, p为体系的总蒸气压:由Raoult定律及道尔顿分压定律有:
即总蒸气压p与液相组成xA之间成直线关系。 如图1所示:
1.2 p-x-y图
这是p-x图的一种,把液相组成x和气相组成y画在同一张图上。
已知pA*,pB*,xA或xB,就可把各液相组成对应的气相组成求出,画在p-x图上就得p-x-y图。
如果pA*>pB*,则yA>xA,即易挥发的组分在气相中的成分大于液相中的组分,反之亦然,见图2。
对于图2要向学生交代清楚:1在等温条件下,p-x-y图分为三个区域。 在液相线之上,体系压力高于任一混合物的饱和蒸气压,气相无法存在,是液相区。 2在气相线之下,体系压力低于任一混合物的饱和蒸气压,液相无法存在,是气相区3在液相线和气相线之间的梭形区内,是气-液两相平衡。 这样学生容易理解并掌握p-x-y图,也有助于学生对T-x图的理解。
1.3 T-x图(沸点-组成图)
首先, 回顾前面所学沸点的定义及沸点与饱和蒸气压的关系:
沸点:外压为大气压力,当溶液的蒸气压等于外压时,溶液沸腾,这时的温度称为沸点。 纯液体的饱和蒸气压越小,则沸点越高,反之亦然。 相点:表示各相组成的点。 系统点(物系点):表示系统组成的点。
T-x图可以从实验数据直接绘制。 也可以从已知的p-x图求得,如图3所示:
这里要向学生强调:1某组成的蒸气压越高,其沸点越低, 反之亦然。 2在T-x图上气相线与液相线均为曲线,且气相线在上,液相线在下。 3 T-x图在讨论蒸馏时十分有用,因为蒸馏通常在等压下进行。4相点与系统点的区别:在单相区内二者重合,在两相平衡区内二者分离。 5气相线又称为露点线,液相线又称为泡点线。
2杠杆规则(Lever rule)
在T-x图上,由n A和n B混合成的物系的组成为x A。 加热到T1温度,物系点C落在两相区,DE线称为等温连结线,落在DE线上所有物系点的对应的液相和气相组成, 都由D点和E点的组成表示。 如图5所示。
液相和气相的数量借助于力学中的杠杆规则求算: 以物系点C为支点,支点两边连结线CD、CD的长度为力矩,计算液相和气相的物质的量或质量。
或m(1)·CD=m(g)·CE
m(1)·CD=n(g)·CE
这就是杠杆规则,可用于任意两相平衡区:
3蒸馏(或精馏)的基本原理
3.1简单蒸馏
简单蒸馏只能把双液系中的A和B粗略分开。 (如图6所示)
在A和B的T-x图上,纯A的沸点高于纯B的沸点,则蒸馏时气相中B组分的含量较高,液相中A组分的含量较高。 一次简单蒸馏,馏出物中B含量会显著增加,剩余液体中A组分会增多。
3.2精馏
精馏是多次简单蒸馏的组合。 (如图7所示)
假设原混合物的组成为x,系统的温度已达到T3,物系点为O点,此时气、液两相的组成分别为x3和y3。 将气、液两相分开, 考虑气相,把组成为y3的气相冷却到T2,此时物系点对应的液相组成为x2,气相组成为y2。 将气液两相分开,使组成为y2的气相冷却到T1,此时物系点对应的液相组成为x1,气相组成为y1。 以此类推,可得到y3
总之, 采用在课堂教学中采用将相平衡教学内容与生产实际相结合的“理论联系实际”的教学方式,助于学生理解并掌握枯燥的相平衡基础理论知识, 达到了培养学生的解决实际问题的能力及理论联系实际能力的目的。
摘要：在课堂教学中采用将相平衡教学内容与生产实际相结合的“理论联系实际”的教学方式,有助于学生理解并掌握枯燥的相平衡理论知识,培养了学生的解决实际问题能力及理论联系实际能力。
关键词：物理化学,相平衡,精馏