发布时间 : 星期五 文章物理化学实验指导书内容 - 图文更新完毕开始阅读eb2fc730492fb4daa58da0116c175f0e7cd119d9
实验三 二组分金属相图的绘制
一．实验目的
1． 用热分析法测绘Pb-Sn二组分金属相图。
2． 了解热分析法的测量技术与有关测量温度的方法。
二．实验原理
相图是多相（两相及两相以上）体系处于相平衡时体系的某物理性质（最常见的是温度）对体系的某一自变量（如组成）作图所得的相图；图中能反映出相平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。二元或多元的相图常以组成为变量，其物理性质则大多取温度，由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件（如变量不同）下相平衡情况，故研究多相系统的性质以及多相体系平衡的演变（例如冶金工业钢铁、合金冶炼过程；化学工业原料分离制备过程）等多要用到。
各种体系不同类型相图的分析在物理化学课程中占有重要地位。对相图的制作有很多方法，统称为物理化学分析，而对凝聚相（如固-液、固-固相等），最常用的方法是借助相变过程中温度变化而产生的，观察这种热效应的变化情况，以确定一些体系的相态变化关系，最常用的方法就是热分析及差热分析方法。本实验就是用热分析法绘制二元金属相图。
热分析法是先将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间（例如30s或1min），读体系温度一次。将所得温度值对时间作图，可得一曲线，称为步冷曲线或冷却曲线。
二元体系相图种类很多，其步冷曲线也各不相同，但步冷曲线的基本类型可分为三类。如图3.1所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。一个系统若在步冷过程中相继发生几个相变过程，步冷曲线将是一个很复杂的形状，对此曲线进行逐段分析，大致看出都是由几个基本类型组合而成的。
图3.1 步冷曲线 图3.2 过冷步冷曲线
图3.1中，步冷曲线Ⅰ为单元体系步冷曲线。当冷却过程中无相变发生时，冷却速度是比较均匀的（ab段），到点b有固体析出，这时放出的凝固潜热与环境散热达成平衡体
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系，此时F=0，温度不变。当液体完全结晶完了，温度才开始下降（cd段）。固相下无相变，温度也均匀下降。
步冷曲线Ⅱ为二元系统，ab段与上述相同。当到点b时有固相析出，此时固相组成与液相组成不同，但在整个相变过程中只有一个固相（固溶体）与液相平衡，自由度F=1，由于有凝固潜热放出，故温度随时间变化比较缓慢，当到点c时液相消失，若无相变，温度又均匀下降（cd段）。
步冷曲线Ⅲ为二元体系，ab段与上述相同。当到点b时有固相析出，此时体系失去了一个自由度，继续冷却到点c，除了一个固相还有另一个固相析出，此时体系又减少了一个自由度，F=0，冷却曲线上出现了一个水平台（cd段），当液相消失后，又增加了一个自由度，F=1，温度继续下降。若无相变，均匀冷却（de段）。
对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢又无振动时，有过冷现象出现，液体的温度可下降到比正常凝固点更低的温度才开始凝固，固相析出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图3.2中曲线Ⅱ表示纯金属有过冷现象时的步冷曲线，而曲线Ⅰ为无过冷现象时的步冷曲线。
图3.3 Pb-Sn二元金属相图
因物性不同，二元合金相图有多种不同类型，Pb-Sn合金相图是具有低共熔点、固态下部分互溶的二元相图，如图3.3所示。
对各种不同的合金进行测定，绘制步冷曲线，在步冷曲线上找出转折点和水平台的温度，然后在温度-组成坐标上确定相应成分的转折温度和水平台的温度，最后将转折点和恒温点分别连接起来，就得到了相图。
从相图的定义可知，用热分析法绘制相图要注意以下问题：测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却不能过快；对晶型转变时，如相变热较小，此方法便不宜采用。此外对样品的均匀与纯度也要充分考虑，一定要防止样品的氧化及混有杂质（否则会变成另一个多元体系），高温影响下特别容易出现此类实验现象；为了保证样品均匀冷却，温度还是稍高一些好，热电偶放入样品种的部位和深度要适当。测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，对精确测定也有较大的影响，实验中必须注意，否则，会出现较大的误差，使测量结果失真。
本实验测定Pb-Sn二元金属体系的合金相图。两种金属的任何一种都能微溶于另一种金属中，是一个部分互溶的低共溶体系，所以，用一般的热分析法只能得到一个相当于简
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单的二元低共溶点相图，测不出来固态晶形转变点。
三．仪器与试剂
SWKT数字控温仪，KWL-08可控升降温电炉，玻璃试管，热电偶。 纯Pb，纯Sn，石墨粉等。
四．实验步骤
1．分别配制含Pb为0、2.5、15、38.1、70、81、100%的样品于试管中，并加适量石墨
粉覆盖。（此步实验室已准备好）
2．试管小心的放入电炉炉膛内，连接好线路。打开控温仪电源开关，按“工作/置数”钮，
置数灯亮，调整到所需“设定温度”的数值（所需的设定温度比会发生相转变的温度高出30~40℃即可），设置完毕，再按“工作/置数”钮，切换到工作状态，此时工作灯亮。
3． 将电炉冷风量调节逆时针旋转到底（最小）；加热量调节顺时针旋转到底（最大），“内
控”“外控”开关置于“外控”，然后打开电源开关。
4． 先将温度传感器置于样品小玻璃管内，观察“实时温度”，待快到设定温度时，用小
玻璃管轻搅样品，感受样品为熔融状态为止（如已经到设定温度，样品还未熔融，则相应调高设定温度），保温一段时间。
5． 将数字控温仪的“工作/置数”钮置于置数状态（置数工作状态时，仪器不对加热器进
行控制）。调节电炉“冷风量调节”按钮，将冷风机电压调节到5~7V，这时一般可降温6~8℃/分钟。此时炉体处于降温状态。每隔0.5分钟记录一次温度值。分别记录（1）中七种样品的温度-时间值。
6． 实验完毕后将样品放回架台，热电偶插回炉膛内，关闭电源。
五．数据处理
1．以温度对时间作图，绘制几种样品的步冷曲线。
2．在各组步冷曲线上找出拐点和平台温度，以质量分数为横坐标，温度为纵坐标，绘制
出Pb-Sn的二元金属相图。
3． 分析w(Pb)=15%、 w(Pb)=38.1% 、w(Pb)=70%的步冷过程发生的相变。
六．思考题
1．是否可用加热曲线来作相图？为什么？ 2．为什么要在样品上覆盖适量的石墨粉？
3．金属熔体冷却时步冷曲线上为什么会出现转折点？
***纯Sn的熔点大约为232℃，纯Pb的熔点为327℃***
注意：慎防烫伤！！！
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实验四 原电池电动势的测定及其应用
一.目的要求
1、测定Zn-Cu电池的电动势和Cu、Zn电极的电极电势； 2、学会一些电极的制备和处理方法；
3、掌握电位差计的测量原理和正确使用方法。
二.基本原理
原电池由正、负两极和电解质组成。电池在放电过程中，正极上发生还原反应，负极则发生氧化反应，电池反应是电池中所有反应的总和。
为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，一般均采用电位差计测量电池的电动势。原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和，如能分别测定出两个电极的电势，就可计算得到由它们组成的电池电动势。下面以铜-锌电池为例进行分析。
电池表示式为： Zn∣ZnSO4（b1）‖CuSO4（b2）∣Cu
符号“∣”代表固相（Zn或Cu）和液相（ZnSO4 或CuSO4）两相界面；“‖”代表连通两个液相的“盐桥”；b1和b2分别为ZnSO4 和CuSO4的质量摩尔浓度。
当电池放电时：
负极起氧化反应 Zn→Zn2+{a(Zn2+)}+2e- 正极起还原反应 Cu2+{a(Cu 2+)}+2e-→Cu
电池总反应为 Zn +Cu2+{a(Cu 2+)}→Zn2+{a(Zn2+)}+ Cu
对于任一电池，其电动势等于两个电极电势之差值，其计算式为：
E???(右，还原电势)???(左，还原电势) 4-1
对锌-铜电池而言，
?????Cu2?/Cu?RT1 4-2 ln2Fa(Cu2?)RT1 4-3 ln2?2Fa(Zn)
?????Zn?2?/Zn?RTa(Zn2?) E?E? 4-4 ln2?2Fa(Cu)式中?Cu2?/Cu和?Zn2?/Zn是铜电极和锌电极的标准电极电势。
对于单个离子，其活度是无法测定的，但强电解质的活度与物质的平均质量摩尔浓度和平均活度系数之间有以下关系： a(Zn2+) = γ± b1
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