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物理化学（1学时）物理化学教研室 第五章 相平衡 教学方案 教学目的和要求 1、明确相、组分数和自由度的概念,了解了解相律的推导、物理意义,掌握相律的用途； 2、理解克劳修斯一克拉贝龙方程的意义及其应用； 3、了解绘制相图的常用方法,能根据热分析法绘制出步冷曲线和实验数据画出相图； 4、能应用相律来说明相图中区、线及点的意义,并能根据相图来说明体系中不同过程中的所发生的相变化的情况（包括杠杆规则的使用）。 教学重点 1、相律的应用； 2、单组分系统的相图分析； 3、二组分系统的相图的绘制和相图的分析及其应用 。 教学难点 1、相律的推导和应用； 2、克劳修斯一克拉贝龙方程； 3、二组分系统相图的绘制和相图的分析及其应用； 4、三组分系统相图分析。 教学方法和手段 1、 传统的教学模式； 2、 辅导答疑：采用课后辅导和电子邮件形式； 3、 习题课和测验。 教学内容及课时分配 §5.1 引言（学时） §.2 多相系统平衡的一般条件（学时） §.3相律（学时） 1、、§5.4 单组分平衡（学时）1、、§5.5 二组分系统的相图及其应用（学时） 1、 2、；3 §5.6 三组分系统的相图及其应用（学时） §5.7 二级相变（学时） §5.1 引言 相平衡、热平衡和化学平衡是热力学在化学领域中的重要应用，也是化学热力学的主要研究对象。其原因是相平衡研究对生产和科学研究具有重大的实际意义。例如在化学研究和化学生产过程的分离操作中，而分离和提纯的原因：一是化学反应的进行需要纯净的原料，特别是对催化反应和聚合反应，若原料中含有某些杂质，就会使催化剂中毒等，二是绝大多数的化学反应，特别是有机反应，产物往往不是单一的所需产品，而是一个混合物，要获得纯净的产品，一定要经过适当的分离、提纯操作,而在物质分离提纯中,经常会遇到各种相变化过程，如蒸发、冷凝、升华、溶解、结晶和萃取等，这些过程及到不同相之间的物质传递。相平衡研究是选择分离方法、设计分离装置以及实现最佳操作的理论基础。除了分离以外，相平衡及其基本理论还广泛应用于冶金、材料科学、地质矿物学、晶体生长等学科中，对这些部门的科研和生产有着重要的指导意义。 本章着重讨论各种相平衡体系所遵守的一个普遍规律----相律，以及各种基本类型的相图，具体分析体系的相平衡情况与温度、压力和组成等因素的关系，并举例说明其实际应用。 一、几个概念 1.相（phase） 体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。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。界面处体系的热力学性质是间断的.体系中相的总数称为相数，用 ( 表示。 (1) 气体，体系中无论有多少种气体,一般都可以达到分子水平的混合,只有一个气相。 (2) 液体，对于几种液态组分所组成的体系：按其互溶程度不同，可以是一相、两相、或三相（一般不超过三相），液体若可以相互溶解,即为一相；若互不相溶,出现分层现象,则每层液体为一相;同一体系中的液相最多可以同时并存三相。例1：在水中加少量的酚或在酚中加入少量的水，形成均匀的互溶体系为一相；例2：在水中加入与水等量的酚，摇振均匀，静置后还能分成两相，这两层的物理性质不相同，并在该两层之间有一个明显的界面，用机械的方法可以将两相分开，每一层为一相，整个体系就是两相平衡体系；例3：如果例2中再与其蒸气达到平衡时，就为三相。 (3) 固体，一般有一种固体便有一个相。当化学成分不同时，就形成不同的相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）。同一固体的颗粒与颗粒之间虽然存在明显的界面,但应同种固体的物理性质和化学性质完全相同,所以计为一相。对于光学异构体的化合物的混合物，如左旋的酒石酸和右旋的酒石酸的混合物，由于它们的分子结构不同，具有不同的旋光性，也属于不同的相，还有同一种固体的几种同素异晶体共存时，如a-SiO2和β-SiO2的混合物中，虽然其化学组成都是SiO2，化学性质也相同，但其固态晶型不同，其物理性质各异，所以是两种不同的固相。均匀的固态溶液被认为是一个相，比如合金，在固态溶液中粒子的分散程度和在液态溶液中是相似的，达到了分子程度的均匀混合，形成了“固溶体”。还有同一种固体的不同颗粒是一个相。 2.自由度（degree of freedom） 定义：就是体系在不改变相的形态和数目时，可以独立变化的强度性质（T、P、C等）的最大数目，或者说，在不引起旧相的消失和新相的形成的前提下，可以在一定范围内独立变动的强度性质称为自由度；能够维持系统原有的相数而可以独立改变的变量称为自由度，其变量数目为自由度数，用f 表示。 确定平衡体系的状态所必须的最少独立强度变量的数目称为自由度，用字母 f 表示。这些强