化工工藝學之無機化工概述課件

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,化工工藝學,第三章,3.1 鹽水體系相圖及其應用,3.1.1 概述,相圖,是多相體系在平衡時各相組成與溫度或壓力的關系圖。,工業(yè)生產(chǎn)中，利用鹽類溶解度的變化規(guī)律，通過對其相圖分析：,分離純鹽；,制備鹽類的水合鹽；,由單鹽合成各種復鹽。,將復鹽分解為單鹽。,3.1.1

2、概述,一、相率,在多相平衡中，體系的自由度、相數(shù)和組分數(shù)之間存在一定的關系，這種關系稱為,相律,。,1、相,相,是一個不均勻體系中的均勻部分，各相之間存在著明顯的界限。,對相的認識應注意一下幾點：,（1）少數(shù)幾個分子不能成為一相，但就宏觀而言，相與物質(zhì)的多少無關。,（2）氣相在常壓下永遠為一個相，但在高壓下可以分，成為不同的相。水鹽體系中通常不考慮壓力這一變量、所以氣相不計入相數(shù)P中。,（3）液相由于互溶性不同，可以有一、二、三個相，但一般不多于體系的組分數(shù)。水鹽體系中只有一個液相。,（4）固體一般說來有幾種物質(zhì)就有幾個相，即使是同質(zhì)異晶體也能形成不同的相。,3.1.1 概述,3.1.1 概述

3、,2、獨立組分,一個體系往往是各種化學物質(zhì)的混合體，當體系中的每種化學物質(zhì)各自獨立時，稱它們?yōu)轶w系的獨立組分。,獨立組分數(shù)：C=N-（s+r）,C獨立組分數(shù),N體系中的化學物質(zhì)種類數(shù),s 體系中能進行的化學反應數(shù),r 限制條件數(shù),如在Na,2,CO,3,-H,2,O體系中，計有Na,2,CO,3,，Na,2,CO,3,H,2,O、Na,2,CO,3,7H,2,O、Na,2,CO,3,10H,2,O及H,2,O等5中物質(zhì)，,N=5,，但由于存在下面三個化學反應：,Na,2,CO,3,+H,2,O=Na,2,CO,3,H,2,O,Na,2,CO,3,+7H,2,O=Na,2,CO,3,7H,2,O

4、,Na,2,CO,3,+10H,2,O=Na,2,CO,3,10H,2,O,故,s=3,，,C=5-（3+0）=2,也可從另一個角度考慮，Na,2,CO,3,在水中可發(fā)生電離：,Na,2,CO,3,=2 Na,+,+,CO,3,2-,體系中，至少有Na,2,CO,3,、H,2,O、Na,+,和,CO,3,2-,4種物質(zhì)，此時,s=1,。,同時，根據(jù)電中性原則2Na,+,=CO,3,2-,即,r=1,，則,C=4-（1+1）=2,3.1.1 概述,對鹽水體系，可用以下幾種方法來確定體系的獨立組分數(shù)：,1.,在水溶液當中，無水鹽之間不存在復分解反應時體系的組分數(shù),體系的組分數(shù)=無水鹽數(shù)+水數(shù)1,例

5、如，由NaCl,KCl,NH,4,Cl與水組成的水鹽體系，組分數(shù)為4。,3.1.1 概述,2.單鹽之間存在著復分解反應時體系的組分數(shù),例如在水溶液中有以下復分解反應：,NaCl+NH,4,HCO,3,=NH,4,Cl+NaHCO,3,體系組分數(shù)=體系中總物質(zhì)數(shù)-獨立化學反應式數(shù),這個體系的總物種數(shù)為4種鹽加上水共為5種，化學反應式為1,故,C=5-1=4,3.1.1 概述,3.水鹽體系組分數(shù)的簡捷表達,組分數(shù)=體系中組成鹽的正、負離子數(shù)之和,說明：,不考慮水本身的電離，因水是若電解質(zhì)，電離度小，一般不參與鹽的反應平衡。但當體系中有酸或堿等組分加入時，所產(chǎn)生的H,+,或OH,-,就應計入組分數(shù)。

6、,對多元酸或多元酸形成的各酸式鹽，在計算組分數(shù)時，不在考慮二級電離時所形成的離子數(shù)。,例如，NaH,2,PO,4,-H,2,O體系的組分數(shù)為2，即只計算一級電離產(chǎn)生的Na,+,和H,2,PO4,-,兩個離子，而不再考慮以后各級電離產(chǎn)生的H,+,、HPO,4,2-,及PO,4,3-,等離子。因二級電離的電離常數(shù)都很小。,3.1.1 概述,3、自由度,自由度,是指體系達到平衡時，在不引起新相產(chǎn)生和舊相消失的情況下，可在一定范圍內(nèi)自由改變的獨立變量數(shù)。,4、相律,相律是Gibbs用熱力學原理推到出來的，其數(shù)學表達式為：,F=C-P+n,由于影響相平衡的外界因素一般只有溫度和壓力，故相律又可寫為：,F

7、=C-P+2,當壓力和氣相都不考慮時，相律可簡化為：,F=C-P+1,3.1.1 概述,二、溶解度的表示方法及單位換算,溶解度數(shù)據(jù)是鹽水體系相圖繪制的基礎，在相圖中應用的濃度可以是wt%、質(zhì)量%、mol%、g鹽/100g水、mol鹽/1000g水、mol/mol干鹽等單位，但不可用g/L、mol/L等濃度單位，這是因為當溶液混合時，體積沒有加和性。,各種濃度單位之間可根據(jù)需要進行換算。,3.1.1 概述,例如：25時NaCl和NH,4,Cl的共飽液，其中含NaCl 17.28%、含NH,4,Cl 15.86%，下面將其換算為其他濃度單位表示。,（1）以g鹽/100g水表示,3.1.1 概述,3

8、.1.1 概述,3.1.1 概述,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,一、二元鹽水體系相圖的繪制及杠桿規(guī)則,1、以NH,4,Cl-H,2,O二元體系為例，討論二元相圖的繪制。,根據(jù)相律：F=C-P+1,該體系有2個獨立組分，最少相數(shù)為1，則,F=2-1+1=2,以NH,4,Cl濃度為橫坐標，以溫度為縱坐標作圖：,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,（1）曲線AE的物理意義,不同NH,4,Cl濃度溶液的冰點曲線。,不同溫度下冰在NH,4,Cl溶液中溶解度曲線。,（2）曲線EB的物理意義,NH,4,Cl在水中的溶解度曲線。,（3）AE線:冰固相與溶液共存。,EB線:NH,4,Cl固相與溶液共存,E

9、點:冰、NH,4,Cl固相、NH,4,Cl溶液共存.,（4）過E點作水平線，將圖面分成四個區(qū)域,AE、EB與縱坐標圍成的區(qū)域：不飽和溶液區(qū),ACE區(qū):冰和溶液共存兩相區(qū),BED區(qū):NH,4,Cl固相與其飽和液共存的兩相區(qū),CED區(qū):NH,4,Cl固相與冰共存區(qū),2、杠桿規(guī)則,（1）,連線規(guī)則,：組成不同的兩個體系在等溫下混合成為一個新體系，或一個體系在等溫下分為兩個不同組成的新體系，那么在二元鹽水體系相圖中，三個體系在同一水平線上，且兩個分體系各居于總體系的兩側(cè)。,（2）,杠桿規(guī)則,：兩個分體系的量與其到總體系的距離成反比。,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,下面利用質(zhì)量平衡來證明杠桿規(guī)則,

10、設有兩個溫度相同而組成不同的體系,P,和,Q,，其質(zhì)量分別為,p,和,q,，其NH,4,Cl含量分別為,X,P,和,X,Q,，在等溫下將其混合成為一個新體系R，設其NH,4,Cl濃度為,X,R,，作混合前后的NH,4,Cl物料衡算：,（,p,+,q,）,X,R,=,pX,P,+qX,Q,整理后得：,根據(jù)和比定理，并令 p+q=r，則可推導出：,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,二、各種化工過程在相圖上的表示,1、加熱和冷卻,在二元鹽水體系相圖上，改變溫度體系點將沿著垂直于橫軸的直線移動，而保持體系的組成不變。,對于,加熱,過程，體系點,向上,移動；而,冷卻,過程，體系點,向下,移動。,3.1

11、.2 二元鹽水體系相圖及應用,2、等溫蒸發(fā)和加水過程,對二元鹽水體系，溶液在等溫下蒸發(fā)時，在相圖上體系點是沿著平行于橫軸的直線自左向右移動。,加水,過程是蒸發(fā)過程的逆過程，在相圖上體系點是,自右向左,移動。,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,3、溶解過程,以圖3-1中,N,0,不飽和溶液為例，當在55下向其中加入NH,4,Cl固體（組成點為,N,6,）時，NH,4,Cl固體就要溶解。當加NH,4,Cl固體使體系成為飽和溶液,N,4,時，再向體系中加NH,4,Cl固體便不能溶解了。NH,4,Cl固體的加入量也可用杠桿規(guī)則計算：,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,3.1.2 二元鹽水體系相圖及

12、應用,三、相圖應用,在聯(lián)合制堿生產(chǎn)過程中，副產(chǎn)大量氯化銨，其NH,4,Cl含量96-98%,含有少量NaCl、CaCO,3,、MgCO,3,和Fe,2,O,3,只可做化肥使用。在干電池、焊條、電鍍等工業(yè)部門使用時，要求氯化銨的純度在99.5%以上。,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,如NaCl-KCl-H,2,O、NaHCO,3,-Na,2,CO,3,-H,2,O、NH,3,-CO,2,-H,2,O、CaO-P,2,O,5,-H,2,O、MgSO,4,-H,3,BO,3,-H,2,O、MgCl,2,-H,3,BO,3,-H,2,O等,鹽的存在形式有無水物、水合鹽、復鹽、固溶體等而表現(xiàn)復雜。,

13、3.1.3 三元鹽水體系相圖及應用,1.三元鹽水體系相圖通論,（1）三元鹽水體系相圖表示法,F=3-1+1=3,說明溫度和兩種鹽濃度都可變化。因此，必須用三維空間才能表達。為便于使用，常將溫度固定，即,等溫相圖,。,等溫相圖的表示方法有：,等邊三角形表示法,等腰直角三角形表示法,直角坐標表示法,等邊三角表示法,C,B,A,頂點A,B,C各點分別代表純A,純B和純C.,AB:A,B二元體系的組成;BC:B,C二元體系的組成;AC:A,C二元體系的組成.,物系點距離某頂點,愈近,則體系中此組分的含量,愈多,物系點距離某頂點,愈遠,則體系中此組分含量,愈少,.,G,F,E,D,P,BD,代表,A,的

14、含量;,AG,代表,B,的含量;,GD,代表,C,的含量.,設有一物系點P.,過P分別作BC,AB,AC的平行線與三角形 的邊相交于D,E,F.,B,A,C,（1）過等邊三角形內(nèi)任一點作平行于各邊的直線 再各邊所截線段a、b、c之和等于等邊三角形的一邊之長。,（2）從等邊三角形內(nèi)任一點N分別向三條 邊作垂線，則垂線之和等于三角形之高。,等邊三角表示法的特點,等腰直角三角形表示法,O代表純水，其他兩個頂點分別代表兩種純鹽。兩條直角邊分別表示兩鹽的水溶液。,（1）自M點分別作兩條直角邊的垂線，垂足分別為a和b，則a點處的刻度即為a鹽的百分含量，b點處的刻度即為b鹽的百分含量，水含量可用100%減去

15、兩鹽的含量求出。,（2）如已知某一溶液兩種鹽的百分含量，則可在兩條直角邊上兩鹽濃度的刻度處引垂線，交點即為該溶液在相圖上的組成點。,4、加鹽和鹽析過程,向一個體系中加入某種鹽，以改變體系的組成，使體系改變后落在我們所需要的鹽的結(jié)晶區(qū)內(nèi)，從而分離出這種鹽的固體，這種方法工業(yè)上稱為,鹽析,。,鹽析的原理,：一種鹽類的存在會使另一種鹽類的溶解度下降。當所加入的鹽與原體系中的鹽具有同一離子時，會使體系中原來的平衡破壞，為達到新的平衡，則某一種鹽就要析出，這就是常說的,同離子效應,。,3.1.2 二元鹽水體系相圖及應用,謝謝觀看,/,歡迎下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GO

16、OD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH,內(nèi)容總結(jié),化工工藝學 第三章。相是一個不均勻體系中的均勻部分，各相之間存在著明顯的界限。（4）固體一般說來有幾種物質(zhì)就有幾個相，即使是同質(zhì)異晶體也能形成不同的相。C獨立組分數(shù)。N體系中的化學物質(zhì)種類數(shù)。s 體系中能進行的化學反應數(shù)。r 限制條件數(shù)。也可從另一個角度考慮，Na2CO3在水中可發(fā)生電離：。但當體系中有酸或堿等組分加入時，所產(chǎn)生的H+或OH-就應計入組分數(shù)。因二級電離的電離常數(shù)都很小。1、以NH4Cl-H2O二元體系為例，討論二元相圖的繪制。CED區(qū):NH4Cl固相與冰共存區(qū)。加水過程是蒸發(fā)過程的逆過程，在相圖上體系點是自右向左移動。（2）從等邊三角形內(nèi)任一點N分別向三條 邊作垂線，則垂線之和等于三角形之高。O代表純水，其他兩個頂點分別代表兩種純鹽。謝謝觀看/歡迎下載,