二組分溫度組成相圖單雙相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則

呂申壯（樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000）

二組分溫度組成相圖單雙相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則

呂申壯（樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000）

本文對(duì)二組分溫度-組成相圖的單雙相區(qū)提出了簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，該規(guī)則簡(jiǎn)單易懂，根據(jù)該判據(jù)，可以從相圖的特點(diǎn)判斷哪些是單相區(qū)，哪些是兩相區(qū)。

相圖；單相區(qū)；兩相區(qū)

研究多相系統(tǒng)的狀態(tài)如何隨溫度、壓力和濃度等變量的改變而發(fā)生變化，并用圖形來表示系統(tǒng)狀態(tài)的變化，這種圖叫相圖，相圖的研究有著十分重要的實(shí)際意義，在物質(zhì)的分離和提純中，如溶解、蒸餾、結(jié)晶、萃取、凝結(jié)等過程都要用到相圖。由于相圖十分重要，所有的物理化學(xué)教材[1～4]都要講解相圖。對(duì)于二組分體系，根據(jù)相律，f=C-Φ+2，其最大自由度是3，即溫度、壓力和組成，有三個(gè)變量，完整的相圖需要畫立體圖，而立體圖不好畫，人們往往固定一個(gè)變量。若保持溫度不變，得到壓力-組成圖；若保持壓力不變，得到溫度-組成圖；若保持組成不變，得到溫度-壓力圖。其中最常用的是溫度-組成圖，在溫度-組成圖中，一個(gè)區(qū)域可能是一相，也可能是兩相。而初學(xué)者對(duì)相應(yīng)相圖中哪些是一相區(qū)，哪些是兩相區(qū)不易分清楚，為此，本文提出了簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。

1 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的內(nèi)容

在二組分溫度-組成相圖中，若有水平線，則水平線是三相線，與三相線以點(diǎn)相鄰的是一相區(qū)，以線相鄰的是兩相區(qū)；若沒有水平線，則最上面的一個(gè)區(qū)域是單相區(qū)（對(duì)于具有最低會(huì)溶溫度的部分互溶的雙液系除外），以線與一相區(qū)相鄰的是兩相區(qū)，以線與兩相區(qū)相鄰的時(shí)一相區(qū)，以點(diǎn)與一相區(qū)相鄰的仍然是一相區(qū)。

2 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的部分證明

對(duì)于溫度-組成相圖，由于壓力已經(jīng)固定，若系統(tǒng)有三相存在，根據(jù)相律其條件自由度為 f*=C-Φ+1=2-3+1=0，說明系統(tǒng)的溫度不能變，因此三相線是水平線，至于水平線是否一定是三相線，這可能只有在理論上存在，如理想液態(tài)混合物的氣液相圖，當(dāng)p*A=p*B時(shí)，氣液平衡線變?yōu)樗骄€，此時(shí)只有兩個(gè)單相與水平線相鄰，但這種情況在實(shí)際的相圖中幾乎沒有。由于條件自由度為0，說明這三相中每一相的組成有確定值，由于一相區(qū)的物系點(diǎn)就是相點(diǎn)，即物系點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是相的組成，因此一相區(qū)只能與三相線以點(diǎn)相鄰（因?yàn)闇囟群徒M成都確定）。至于兩相區(qū)，當(dāng)充分接近三相線時(shí)，仍然是兩相，由于兩相的比例不同，體系總的組成可以改變，即物系點(diǎn)可以改變，所以兩相區(qū)與三相線以線相鄰。

3 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的應(yīng)用舉例

3.1 有水平的相圖

3.1.1 簡(jiǎn)單低共熔二元相圖

圖1 簡(jiǎn)單低共熔二元相圖

如圖1所示，CD線是水平線，屬于三相線，相區(qū)1與水平線以點(diǎn)相鄰，屬于一相區(qū)；2、3、4相區(qū)與水平線以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)。

3.1.2 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖

如圖2所示，圖中CD線和EF線是水平線，都屬于三相線；相區(qū)1與CD和EF都是以點(diǎn)相鄰，屬于一相區(qū)；相區(qū)2,3,6與CD線以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)；相區(qū)4,5,7與EF線以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)。相區(qū)3雖然與EF以點(diǎn)相鄰，但是屬于水平相鄰，相區(qū)7與CD的也是水平相鄰。

圖2 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖

3.1.3 形成不穩(wěn)定化合物的二元相圖

如圖3所示，圖中CD線和EF線是水平線，是三相線；相區(qū)1 與CD和EF都是以點(diǎn)相鄰，屬于一相區(qū)；相區(qū)2,3,5與CD線以線相鄰，屬于兩相區(qū)；相區(qū)3,4,6與EF線以線相鄰，屬于兩相區(qū)。

圖3 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖

3.1.4 復(fù)雜的相圖

圖4 復(fù)雜二元相圖

圖5 沒有水平線的二元相圖

如圖4所示，CD、EF、GH是水平線，屬于三相線，相區(qū)1與CD、EF、GH都是以點(diǎn)相鄰，屬于一相區(qū)；相區(qū)8與CD以點(diǎn)垂直相鄰，屬于一相區(qū)；相區(qū)2、4、5與GH以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)；相區(qū)3與EF以線相鄰，屬于兩相區(qū)；相區(qū)4與GH、EF都是以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)；相區(qū)6、7、9與CD都是以線垂直相鄰，屬于兩相區(qū)。

3.2 沒有水平線的相圖

沒有水平線的相圖有如圖5所示的三種類型，最上面的相區(qū)（即相區(qū)1）是一相區(qū)，若是氣液相圖，相區(qū)1為氣相，若是固液相圖，相區(qū)1為液相；相區(qū)2，2‘與相區(qū)1以線相鄰，是兩相區(qū)，若是氣液相圖，是氣液兩相區(qū)，若是固液相圖，是固液兩相區(qū)；相區(qū)3與相區(qū)2或2’與線相鄰，在后兩個(gè)相圖中與相區(qū)1以點(diǎn)相鄰，屬于一相區(qū)，若是氣液相圖，相區(qū)3是液相區(qū)，若是固液相圖，相區(qū)3是固相區(qū)。

4 結(jié)語

對(duì)于二組分溫度組成相圖，根據(jù)相圖的特點(diǎn)，提出了判斷單雙相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，根據(jù)此經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，初學(xué)者可以輕松地判斷相圖中的相區(qū)屬于一相區(qū)還是兩相區(qū)。

[1]傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，侯文華.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009:272-225.

[2]印永嘉，奚正凱，張樹永.物理化學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，2007：142-189.

[3]傅玉普，王新平.物理化學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007:123-155.

[4]朱傳征，褚瑩，許海涵.物理化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，

2008:163-211.

呂申壯（1964-），男（漢族），四川樂山人，教授，博士，主要從事理論化學(xué)。