二組分凝聚系統(tǒng)相圖實驗報告

1、天津大學物理化學實驗二組分凝聚系統(tǒng)相圖實驗目的1 .熟悉熱分析法測繪Sn-Pb二組分凝聚系統(tǒng)相圖的原理;2 .掌握熱電偶測溫的基本原理。實驗原理熱分析法是繪制凝聚系統(tǒng)相圖的基本方法之一。其原理是根據(jù)系統(tǒng)在加熱或冷卻過程中發(fā)生相變所對應(yīng)的溫度來確定系統(tǒng)的狀態(tài)圖。當一個熔融系統(tǒng)均勻冷卻時，如無相變化，它的溫度將連續(xù)均與地下降，在溫度-時間圖上 將得到一條平滑的曲線；如在冷卻過程中發(fā)生了相變，則令溫度下降減緩甚 至因新相析出所放出的熱量抵消了散失的熱量而令溫度不變，于是冷卻曲線上就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點或水平線段，而產(chǎn)生水平或轉(zhuǎn)折的溫度就是發(fā)生相變的溫 度。本實驗所測定的是具有最低共熔點的固態(tài)部分互溶的Sn-

2、Pb系統(tǒng)，實驗室測定一系統(tǒng)冷卻曲線。如圖1(a)中的曲線A為Pb的冷卻曲線，熔融的Pb 在高于327c時，系統(tǒng)中只有液態(tài)的Pb,根據(jù)相律F=C-P+1可知，單組分系 統(tǒng)的自由度為1,故溫度可以改變且均勻下降。當逐漸冷卻至溫度為327c時，Pb開始凝固，此時系統(tǒng)為兩相共存，其自由度為零，即冷卻曲線上出現(xiàn) 水平線段。當Pb全部凝固后，系統(tǒng)自由度變?yōu)?,系統(tǒng)的溫度又均勻下降。圖1(a)中曲線E所示的是組成為61.9%Sn的冷卻曲線。它和純金屬的冷 卻曲線很相像，當液體冷卻到一定溫度時，從液體中同時析出兩個周相，三 相共存，因此自由度為零，故也出現(xiàn)水平段。此溫度是低共熔溫度。對含Sn量在19.5%-9

3、7.4%之間的其他樣品，冷卻曲線比較復雜。本實驗 中測試的是組分為30%Sn和80%Sn的系統(tǒng)。以30%Sn系統(tǒng)為例，開始均勻 冷卻，當冷卻到圖中C點處溫度時，開始析出a固溶體，此時自由度為1, 溫度仍可變化，但由于固相析出而放出相變熱，使冷卻速度減慢，冷卻曲線 斜率變小，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點C,隨著含有Pb量高的固溶體a的析出，液相中Pb 含量逐漸減少，只有降低溫度才能繼續(xù)析出固體，當溫度降到D點處而且液 相組成也變成低共熔組成時，另一固溶體B也達到飽和，系統(tǒng)變成三相，自由度為零，冷卻曲線上出現(xiàn)水平段，直至液相消失。之后系統(tǒng)只剩下兩個相， 自由度為1,溫度又開始均勻下降。對Sn含量小于19.5%?口含

4、量高于97.5%的樣品冷卻曲線應(yīng)該有三個轉(zhuǎn)折 點，但本實驗熱分析方法觀測不到。aa 時間(a)冷卻曲線圖aa圖1 .冷卻曲線及相圖儀器和藥品儀器：數(shù)字式控溫儀，可控升降溫電爐，鉗子藥品：Pb(A.R.), Sn (A.R.),含 Sn30%, Sn61.9%及 Sn80%的 Sn-Pb混合 物。四、實驗步驟(1)將電爐與數(shù)字控溫儀接通電源；(2)將樣品進行編號，分別為 1號Sn, 2號30%, 3號61.9%Sn, 4號80%Sn, 5 號Pbo按照凝固點由低到高進行測量，即 3 4 12 5的順序，這樣可以減少實驗時間。(4)將樣品加熱到熔融溫度之上50c左右，將其取出置于冷卻槽中，每隔20

5、s(5號樣品Pb為10s)記錄一次熱電偶讀數(shù)。同時，將下個待測樣品置于加熱槽進行 加熱。待樣品完全凝固后，再記錄六七個點即可。數(shù)據(jù)記錄及處理表1.實驗數(shù)據(jù)記錄/s1/2/3/4/C5/10269.9304238.8260.2364.120363.030258.1293229.5252.2362.040361.150248281.6220.5243.6360.160358.970239.8270.1212.4234.8357.980356.990230.2260.7204.5226.5355.7100354.7110228253.1197.3218.6353.612345/s/C/C/C/C/C

6、120352.6130227.2249190.7211.4351.4140350.3150226.8245.5184.3208349.0160347.9170226.5242178.6206346.8180345.7190226.4238.8174.3204.5344.4200343.3210226.3234.1176203.3342.1220341.0230226.3230177202.2339.9240338.6250226.3225.6177.3201.1337.6260336.4270226.2221.1177.4199.9335.2280334.2290226216.7177.419

7、8.7333.4300331.7310225.9212177.4197.3330.7320329.5330225.9207.5177.3195.8328.3340327.3350225.8203.1177.2194.3326.3360325.5370225.6198.4177192.6324.7380324.0390225.4194.1176.9190.7323.3400322.7410225.1189.6176.8188.8322.2430224.8185.5176.5186.8321.1440320.7450224.3181.2176.2184.9320.6460320.6470223.5

8、177.3175.8182.9320.6480320.6490173.5175.4180.8320.6500320.6510172.3175178.4320.6520320.6530173.9174.5178.1320.5540320.5550175.1173.5177.9320.5560320.5570175.6170.6177.7320.5580320.5590175.7166.0177.4320.4600320.3610175.5177.1320.3620320.2630175.1176.7320.2640320.1650174.7176.3320.0660319.9670173.617

9、5.8319.8680319.8690170 9175 131971.作不同組分冷卻過程中溫度隨時間變化的冷卻曲線圖2.冷卻曲線相圖 a).純Pb b).含Sn30% c).含Sn61.9% d).含Sn80%e).純Snf).綜合后不同組分冷卻曲線2.作Sn-Pb相圖找出各冷卻曲線的轉(zhuǎn)折點溫度即各組分的相轉(zhuǎn)變溫度，由相轉(zhuǎn)變溫度做出相圖。表2.不同樣品的相轉(zhuǎn)變溫度成分Pb30%Sn61.9%Sn80%SnSn相轉(zhuǎn)發(fā)溫度/CTi=322Ti=254T2=178Ti=178Ti=205T2=178Ti=229圖3.Sn-Pb二組分凝聚系統(tǒng)相圖誤差分析本次實驗由冷卻曲線測得的相轉(zhuǎn)變溫度普遍比理論溫度

10、要低，可能造成的原因如下：a）樣品發(fā)生部分氧化；b）數(shù)字式控溫儀有系統(tǒng)誤差。思考題1）如何判斷加熱中的樣品已熔融？加熱時溫度為何不可過高或過低？答：本實驗由于樣品被套在金屬管中，無法判斷樣品是否完全熔融。實驗中將樣品加熱到比其理論熔點高50c的溫度，則視其完全熔融。若加熱溫度過高，則樣品易被氧化，且冷卻時間長，浪費時間；若過低，則樣品未完全熔融，沒法測量其相轉(zhuǎn)變溫度。2）為什么熱電偶不直接插入金屬中而要插在套管中？答：為了防止熱電偶和樣品相互污染。3）應(yīng)用相律按圖1 （b）說明該相圖各區(qū)、各線的自由度，并解釋其意義。答： 區(qū)、區(qū)、液相區(qū)：自由度 F=2-1 + 1=2 ,表示溫度和相組成都可以變化；區(qū)、液+、液+:自由度F=2-2+1=1 ,表示溫度可改變且可以均勻下降。液相線（AE、DE）:自由度F=2-2+1=1 ,表示溫度均勻下降。三相線BF:自由度F=2