化工工艺学之无机化工概述课件.ppt
化工工艺学 第三章,3.1 盐水体系相图及其应用,3.1.1 概述 相图是多相体系在平衡时各相组成与温度或压力的关系图。工业生产中，利用盐类溶解度的变化规律，通过对其相图分析：分离纯盐；制备盐类的水合盐；由单盐合成各种复盐。将复盐分解为单盐。,3.1.1 概述,一、相率 在多相平衡中，体系的自由度、相数和组分数之间存在一定的关系，这种关系称为相律。1、相 相是一个不均匀体系中的均匀部分，各相之间存在着明显的界限。,对相的认识应注意一下几点：（1）少数几个分子不能成为一相，但就宏观而言，相与物质的多少无关。（2）气相在常压下永远为一个相，但在高压下可以分，成为不同的相。水盐体系中通常不考虑压力这一变量、所以气相不计入相数P中。（3）液相由于互溶性不同，可以有一、二、三个相，但一般不多于体系的组分数。水盐体系中只有一个液相。（4）固体一般说来有几种物质就有几个相，即使是同质异晶体也能形成不同的相。,3.1.1 概述,3.1.1 概述,2、独立组分 一个体系往往是各种化学物质的混合体，当体系中的每种化学物质各自独立时，称它们为体系的独立组分。独立组分数：C=N-（s+r）C独立组分数N体系中的化学物质种类数s 体系中能进行的化学反应数r 限制条件数,如在Na2CO3-H2O体系中，计有Na2CO3，Na2CO3H2O、Na2CO37H2O、Na2CO310H2O及H2O等5中物质，N=5，但由于存在下面三个化学反应：Na2CO3+H2O=Na2CO3H2ONa2CO3+7H2O=Na2CO37H2ONa2CO3+10H2O=Na2CO310H2O故s=3，C=5-（3+0）=2也可从另一个角度考虑，Na2CO3在水中可发生电离：Na2CO3=2 Na+CO3 2-体系中，至少有Na2CO3、H2O、Na+和 CO3 2-4种物质，此时s=1。同时，根据电中性原则2Na+=CO3 2-,即r=1，则C=4-（1+1）=2,3.1.1 概述,对盐水体系，可用以下几种方法来确定体系的独立组分数：1.在水溶液当中，无水盐之间不存在复分解反应时体系的组分数 体系的组分数=无水盐数+水数1 例如，由NaCl,KCl,NH4Cl与水组成的水盐体系，组分数为4。,3.1.1 概述,2.单盐之间存在着复分解反应时体系的组分数例如在水溶液中有以下复分解反应：NaCl+NH4HCO3=NH4Cl+NaHCO3 体系组分数=体系中总物质数-独立化学反应式数这个体系的总物种数为4种盐加上水共为5种，化学反应式为1故C=5-1=4,3.1.1 概述,3.水盐体系组分数的简捷表达组分数=体系中组成盐的正、负离子数之和说明：不考虑水本身的电离，因水是若电解质，电离度小，一般不参与盐的反应平衡。但当体系中有酸或碱等组分加入时，所产生的H+或OH-就应计入组分数。对多元酸或多元酸形成的各酸式盐，在计算组分数时，不在考虑二级电离时所形成的离子数。例如，NaH2PO4-H2O体系的组分数为2，即只计算一级电离产生的Na+和H2PO4-两个离子，而不再考虑以后各级电离产生的H+、HPO42-及PO43-等离子。因二级电离的电离常数都很小。,3.1.1 概述,3、自由度 自由度是指体系达到平衡时，在不引起新相产生和旧相消失的情况下，可在一定范围内自由改变的独立变量数。4、相律 相律是Gibbs用热力学原理推到出来的，其数学表达式为：F=C-P+n 由于影响相平衡的外界因素一般只有温度和压力，故相律又可写为：F=C-P+2 当压力和气相都不考虑时，相律可简化为：F=C-P+1,3.1.1 概述,二、溶解度的表示方法及单位换算 溶解度数据是盐水体系相图绘制的基础，在相图中应用的浓度可以是wt%、质量%、mol%、g盐/100g水、mol盐/1000g水、mol/mol干盐等单位，但不可用g/L、mol/L等浓度单位，这是因为当溶液混合时，体积没有加和性。各种浓度单位之间可根据需要进行换算。,3.1.1 概述,例如：25时NaCl和NH4Cl的共饱液，其中含NaCl 17.28%、含NH4Cl 15.86%，下面将其换算为其他浓度单位表示。（1）以g盐/100g水表示,3.1.1 概述,3.1.1 概述,3.1.1 概述,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,一、二元盐水体系相图的绘制及杠杆规则1、以NH4Cl-H2O二元体系为例，讨论二元相图的绘制。,根据相律：F=C-P+1该体系有2个独立组分，最少相数为1，则F=2-1+1=2以NH4Cl浓度为横坐标，以温度为纵坐标作图：,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,（1）曲线AE的物理意义不同NH4Cl浓度溶液的冰点曲线。不同温度下冰在NH4Cl溶液中溶解度曲线。（2）曲线EB的物理意义NH4Cl在水中的溶解度曲线。（3）AE线:冰固相与溶液共存。EB线:NH4Cl固相与溶液共存E点:冰、NH4Cl固相、NH4Cl溶液共存.（4）过E点作水平线，将图面分成四个区域AE、EB与纵坐标围成的区域：不饱和溶液区ACE区:冰和溶液共存两相区BED区:NH4Cl固相与其饱和液共存的两相区CED区:NH4Cl固相与冰共存区,2、杠杆规则（1）连线规则：组成不同的两个体系在等温下混合成为一个新体系，或一个体系在等温下分为两个不同组成的新体系，那么在二元盐水体系相图中，三个体系在同一水平线上，且两个分体系各居于总体系的两侧。（2）杠杆规则：两个分体系的量与其到总体系的距离成反比。,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,下面利用质量平衡来证明杠杆规则设有两个温度相同而组成不同的体系P和Q，其质量分别为p和q，其NH4Cl含量分别为XP和XQ，在等温下将其混合成为一个新体系R，设其NH4Cl浓度为XR，作混合前后的NH4Cl物料衡算：（p+q）XR=pXP+qXQ整理后得：根据和比定理，并令 p+q=r，则可推导出：,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,二、各种化工过程在相图上的表示1、加热和冷却 在二元盐水体系相图上，改变温度体系点将沿着垂直于横轴的直线移动，而保持体系的组成不变。对于加热过程，体系点向上移动；而冷却过程，体系点向下移动。,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,2、等温蒸发和加水过程 对二元盐水体系，溶液在等温下蒸发时，在相图上体系点是沿着平行于横轴的直线自左向右移动。加水过程是蒸发过程的逆过程，在相图上体系点是自右向左移动。,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,3、溶解过程 以图3-1中N0不饱和溶液为例，当在55下向其中加入NH4Cl固体（组成点为N6）时，NH4Cl固体就要溶解。当加NH4Cl固体使体系成为饱和溶液N4时，再向体系中加NH4Cl固体便不能溶解了。NH4Cl固体的加入量也可用杠杆规则计算：,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,三、相图应用 在联合制碱生产过程中，副产大量氯化铵，其NH4Cl含量96-98%,含有少量NaCl、CaCO3、MgCO3和Fe2O3只可做化肥使用。在干电池、焊条、电镀等工业部门使用时，要求氯化铵的纯度在99.5%以上。,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,如NaCl-KCl-H2O、NaHCO3-Na2CO3-H2O、NH3-CO2-H2O、CaO-P2O5-H2O、MgSO4-H3BO3-H2O、MgCl2-H3BO3-H2O等盐的存在形式有无水物、水合盐、复盐、固溶体等而表现复杂。,3.1.3 三元盐水体系相图及应用,1.三元盐水体系相图通论,（1）三元盐水体系相图表示法F=3-1+1=3 说明温度和两种盐浓度都可变化。因此，必须用三维空间才能表达。为便于使用，常将温度固定，即等温相图。等温相图的表示方法有：等边三角形表示法等腰直角三角形表示法直角坐标表示法,等边三角表示法,顶点A,B,C各点分别代表纯A,纯B和纯C.,AB:A,B二元体系的组成;BC:B,C二元体系的组成;AC:A,C二元体系的组成.,物系点距离某顶点愈近,则体系中此组分的含量愈多,物系点距离某顶点愈远,则体系中此组分含量愈少.,BD代表A的含量;AG代表B的含量;GD代表C的含量.,设有一物系点P.过P分别作BC,AB,AC的平行线与三角形 的边相交于D,E,F.,（1）过等边三角形内任一点作平行于各边的直线 再各边所截线段a、b、c之和等于等边三角形的一边之长。（2）从等边三角形内任一点N分别向三条 边作垂线，则垂线之和等于三角形之高。,等边三角表示法的特点,等腰直角三角形表示法,O代表纯水，其他两个顶点分别代表两种纯盐。两条直角边分别表示两盐的水溶液。,（1）自M点分别作两条直角边的垂线，垂足分别为a和b，则a点处的刻度即为a盐的百分含量，b点处的刻度即为b盐的百分含量，水含量可用100%减去两盐的含量求出。,（2）如已知某一溶液两种盐的百分含量，则可在两条直角边上两盐浓度的刻度处引垂线，交点即为该溶液在相图上的组成点。,4、加盐和盐析过程 向一个体系中加入某种盐，以改变体系的组成，使体系改变后落在我们所需要的盐的结晶区内，从而分离出这种盐的固体，这种方法工业上称为盐析。盐析的原理：一种盐类的存在会使另一种盐类的溶解度下降。当所加入的盐与原体系中的盐具有同一离子时，会使体系中原来的平衡破坏，为达到新的平衡，则某一种盐就要析出，这就是常说的同离子效应。,3.1.2 二元盐水体系相图及应用,5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。,
