实验七 二组分固.doc

物理化学实验讲义 二组分固液相图的测绘 实验七、二组分固液相图的测绘、目的要求1应用步冷曲线的方法绘制Cd-Bi二组分体系的相图。2掌握热电偶温度计和毫伏电位计的基本原理和使用。、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，如图所示。纯物质的步冷曲线如所示，从高温冷却，开始降温很快，ab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、）与纯物质的步冷曲线（如、）不同。如起始温度下降很快（如ab），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（bc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cd，直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。 曲线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。 图（2）是一种形成简单低共熔混合物的二组分体系相图。图中L为液相区；为纯B和液相共存的二相区；为纯A和液相共存的二相区；水平段表示A，B和液相共存的三相共存线；水平线段以下表示纯A和纯B共存的二相区；O为低共熔点。、仪器与药品JX系列金属相图（步冷曲线）测定实验装置（由控制面板、加热装置、热电偶等组成）。镉（化学纯），铋（化学纯），石蜡油。或铅（化学纯），锡（化学纯），石墨粉。、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个硬质试管中，再各加入少许石蜡油（约3g），以防止金属在加热过程中接触空气而氧化。(样品已装好)2按右图装置，依次测纯镉、纯铋和含镉质量百分数为85%，75%，60%，45%，25%，10%样品的步冷曲线。将样品管放在加热电炉中（电压控制160V左右），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，热电偶冷端插入冰水中，待样品熔化后，停止加热。用热电偶玻璃套管轻轻搅拌样品，使各处温度均匀一致，避免过冷现象发生。用纯镉和纯铋来校正热电偶，已知纯镉和纯铋的熔点分别为594.3K和544.6K。3样品冷却过程中，冷却速度保持在之间6K/min8K/min（当环境温度较低时，可加一定的低电压于电炉中），热电偶的热端应放在样品中央，离样品管管底不小于1cm，否则将受外界的影响，而不能真实反映被测体系的温度。当样品均匀冷却时，每隔1分钟测定电动势一次，直到步冷曲线的水平部分以下为止。、注意事项1电炉加热时注意温度不宜升得过高，以防止石蜡油炭化和欲测金属样品氧化，故所加电压不宜过大，且待金属熔化后即需切断加热电流。2热电偶热端应插在玻璃套管底部，在搅拌时需注意勿使热端离开底部导致测温点变动。在套管内注入少量石蜡油盖没热端，以改善其导热情况。3热电偶的冷端应保持在273.2K，作冷阱的杜瓦瓶内应始终有冰存在，每隔一定时间搅动一次，使冷阱内上下温度一致。特别是室温较高时尤要注意。、数据处理1利用所得步冷曲线，绘制铋镉二组分体系的相图，并注出相图中各区域的相平衡。2从相图中求出低共熔点的温度及低共熔混合物的成分。、思考题1对于不同成分混合物的步冷曲线，其水平段有什么不同？2用加热曲线是否可作相图？3作相图还有哪些方法？、讨论1步冷曲线的斜率即温度变化速率，取决于体系与环境间的温差，体系的热容量和热传导率等因素有关，当固体析出时，放出凝固热，因而使步冷曲线发生折变，折变是否明显决定于放出的凝固热能抵消散失热量多少，若放出的凝固热能抵消散失热量的大部分，折变就明显，否则就不明显。故在室温较低的冬天，有时在降温过程中需给电炉加以一定的电压（约20V左右），来减缓冷却速度，以使转折明显。2测定一系列成分不同样品的步冷曲线就可绘制相图。但在很多情况下随物相变化而产生的热效应很小，步冷曲线上转折点不明显，在这种情况下，需采用较灵敏的方法进行，另一方面目前实验所用的简单体系为CdBi，BiSn，PbZn等，它们挥发的蒸气对人体健康有危害性，而且样品用量大，危害性更大。时间用久了这些混合物难以处理。故实验改用热分析的另一种差热分析（DTA）法或差示扫描法（DSC）法。3试样也可选铅，锡，石墨粉一组。铅为100，80，60，38.1，20，0g。另加锡0，20，40，61.9，80，100g。称量至0.1g。样品上分别加上少量石墨粉。、参考资料1物理化学实验孙尔康 徐维清 邱金恒编，南京大学出版社，P36-382物理化学实验第4版，北京大学编，北京大学出版社P57-593物理化学实验第三版，复旦大学等编，高等教育出版社，P45-51附：JX系列金属相图（步冷曲线）测定实验装置的使用方法一、仪器简介整个实验装置由金属相图专用加热装置（10加热单元、三档控制）、计算机、KX-3DA型金属相图控制器（含热电偶）以及其他附件组成，本装置具手动、自动温度切换功能，使用方便、安全。金属相图专用加热装置用于对被测金属材料进行加热。（每次实验可同时加热及绘制4组分样品）。计算机用于对采集到的数据进行分析、处理，绘制曲线。JX-3DA型金属相图控制器联接计算机和加热器，用于控制加热装置、采集和传达实验数据。其前面板如图：二、操作方法1检查仪器各接口连线是否正确，连接好加热装置（开关拨至一档时，1、2、3、4单元同时加热，拨至二档时5、6、7、8单元同时加热，拨至三档时9、10单元加热）确认连线已接好，插上电源插头，打开电源开关，让仪器预热10分钟。2各按钮功能（1）“温度切换”按钮，是在各个温度探头之间切换，并使探头温度显示窗口显示当前对应的探头温度，如需四个探头温度自动循环显示，操作方法（按下“温度切换”按钮，依次按下让四个通道走完，再按一下会看到四个指示灯同时亮一下，这时进入自动循环状态，如需停止，按一下“温度切换”即可，）（2）“设置”按钮，使金属相图测量装置进入设置状态；（3）“加热”按钮，使加热器以加热功率开始加热，在设置状态下将调整的数值以10倍计算；（4）“保温”按钮，使加热器以保温功率开始加热，在设置状态下将调整的数值以“+1”来计算；（5）“停止”按钮，使加热器停止工作，在设置状态下将调整的数值以“-1”来计算；（6）“ ”按钮，控制时钟的开启与关闭，在设置状态下调整时钟的计时时间。3设置工作参数：（1）按“设置”按钮，加热速度显示器显示“o”，设置目标温度，显示在加热速度显示器上。按“+1”增加，按“-1”减少，按“10”左移一位即扩大十倍；（2）再按“设置”按钮，加热速度显示器显示“b”，设置保温功率，显示在加热速度显示器上。按“+1”增加，按“-1”减少，按“10”左移一位即扩大十倍；（3）再按“设置”按钮，加热速度显示器显示“c”，设置加热速度，显示在加热速度显示器上。按“+1”增加，按“-1”减少，按“10”左移一位即扩大十倍；（4）再按“设置”按钮，温度显示器显示“”，设置是否报警，显示在加热速度显示器上。=1表示报警（蜂鸣器发声），=0表示不报警（蜂鸣器不发声）。“ ”用于调整时钟计数可在099范围内循环。注：当面板上“状态”指示灯亮起时，表示仪器进入设置状态。设置完成后，按下“加热”按钮，加热器开始加热。启动采集系统后开始采集数据。 采集数据完成后，按软件使用说明即可绘制相应的曲线。不进行设置系统会采用默认值。（下表）参数默认值可调范围目标温度500100500加热功率400W50500W保温功率40W150W报警时间30S199S蜂鸣器蜂鸣1鸣叫0静音降温过程可根据环境温度等因素，启用保温或开风扇来改善降温速率，以便更好地显现拐点和平台。三、软件功能实现说明1进行实验进行实验前，将仪器开启两分钟。设置好仪器的各种参数，具体的参数设置方法（如前二、3）。按“打开窜口”按钮，根据串口连接方式，选择适当的串口。如果选择正确，将会在软件左上方的文本框内显示仪器所测得当前的温度值。按下“坐标设定”按钮，设置图形框内所显示的温度的最小值、最大值及时间长度。（首次实验可将温度及时间坐标范围选宽一点，以完整记录实验过程）。按下“开始实验”按钮，输入本次实验数据保存的文件名，而后开始进行记录实验数据。实验数据将以波形的形式显示在程序界面上，其中：红色代表通道1的温度，绿色代表通道2的温度，蓝色代表通道3的温度，紫色代表通道4的温度。实验结束后，按下“实验结束”按钮，保存好本次的实验数据。本次实验的数据可通过“步冷曲线”按钮再次调入程序进行观看。2步冷曲线的绘制进行多次