金属相图(Pb-Sn体系) 徐州师范大学化学化工学院 物理化学教研室

实验目的 1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图，并掌握应用步冷曲线数据绘制二元体系相图的基本方法； 2.了解步冷曲线及相图中各曲线所代表的物理意义； 3.学习自动平衡记录仪的使用方法。

实验原理 相平衡是指多相体系中组分在各相中的量不随时间而改变。 相是指体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分。 相平衡是指多相体系中组分在各相中的量不随时间而改变。 研究多相体系的状态如何随组成、温度、压力等变量的改变而发生变化，并用图形来表示体系状态的变化，这种图就叫相图。

本实验采用热分析法绘制相图，其基本原理：先将体系加热至熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，①体系内不发生相变，则温度--时间曲线均匀改变；②体系内发生相变，则温度--时间曲线上会出现转折点或水平段。根据各样品的温度--时间曲线上的转折点或水平段，就可绘制相图。

热分析法绘制相图 B B A A 时间 (a)步冷曲线 (b)二元组分凝聚系统相图 ① ② ③ ④ ⑤ 温度 温度 a a/ b L b/ L+A(s) L+B(s) c/ O A(s)+B(s) 时间 0(A) B% 100(B) (a)步冷曲线 (b)二元组分凝聚系统相图 热分析法绘制相图

分析1： 纯物质的步冷曲线如①、⑤所示，如①从高温冷却，开始降温很快，ab线的斜率决定于体系的散热程度，冷到Ａ的熔点时，固体Ａ开始析出，体系出现两相平衡（液相和固相Ａ），此时温度维持不变，步冷曲线出现水平段，直到其中液相全部消失，温度才下降。

混合物步冷曲线如②、④所示，如②起始温度下降很快(如a’b’/段)，冷却到b’点时，开始有固体Ａ析出，这时体系呈两相，因为液相的成分不断改变，所以其平衡温度也不断改变。由于凝固热的不断放出，其温度下降较慢，曲线的斜率较小(b’c’段)。到了低共熔点c’后，体系出现三相平衡L=A(s)+B(s)，温度不再改变，步冷曲线又出现水平段，直到液相完全凝固后，温度又开始下降。

曲线③表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线，其形状与纯物质相似，但它的水平段是三相平衡。 即 L=A(s)+B(s)

分析2： ②纯A(s)和溶液共存的两相区； ③纯B(s)和溶液共存的两相区； ④纯A(s)和纯B(s)共存的两相区； 相图由一个单相区和三个两相区组成：即 ①溶液相区； ②纯A(s)和溶液共存的两相区； ③纯B(s)和溶液共存的两相区； ④纯A(s)和纯B(s)共存的两相区； 水平线段表示：A(s)、B(s)和溶液共存的三相线；水平线段以下表示纯A(s)和纯B(s)共存的两相区；o为低共熔点。

药品仪器 1. EA/J2P00双笔自动平衡记录仪； 2. 电炉； 3. 数显热电偶温度计； 4. 大、小试管； 5. 锡粒（AR），铅粒（AR）； 6. 液体石蜡

实验步骤 加液体石蜡覆盖 准备样品(按比例) 样品置入电炉中加热 启动自动平衡记录仪有关开关 温度到最高点搅拌 观察升温情况及时停止加热 观察降温情况及时停止实验 取出样品、放入新样品测试 实验结束记录数据恢复原状

准备样品 按以下比例配制 锡(g) 20 40 61.9 80 100 铅(g) 60 38.1 0% 20% 40% 61.9% 80% 锡的百分含量 0% 20% 40% 61.9% 80% 100% 锡(g) 20 40 61.9 80 100 铅(g) 60 38.1

何时停止加热？ 纯Pb、纯Sn、含锡61.9%（低共熔物）三个样品，如果出现转折点，则停止加热，利用电炉的余热加热到熔点以上30~40 ℃ 。 含锡20%、含锡40%、含锡80%三个样品，如果出现转折点，则停止加热，利用电炉的余热使温度再升高30~50 ℃。

何时停止实验？ 纯Pb、纯Sn、含锡61.9%三个样品，在作完水平线段后又继续降温，表明样品已完全凝固，即可停止测量。 含锡20%、含锡40%、含锡80%三个样品，出现了转折点，并在作完水平线段后又继续降温，表明样品已完全凝固，即可停止测量。

实验数据记录 0% (纯铅） 20% 40% 61.9% (低共熔物) 80% 100% (纯锡) 转折点 (t℃) 水平段 锡的百分含量 实验日期： ；室温： ℃；气压： KPa 锡的百分含量 0% (纯铅） 20% 40% 61.9% (低共熔物) 80% 100% (纯锡) 转折点 (t℃) 水平段

数据处理 1.温度换算（ ℃ Ｋ）； 2.作出Pb-Sn相图； 3.与文献值比较。

T/K L(单相区) Pb—Sn 金属相图 0(Pb) 61.9% 100%(Sn) 600K 505K L+Pb(s) L+Sn(s) Pb(s)+Sn(s) 0(Pb) 61.9% 100%(Sn) Pb—Sn 金属相图

文献值 最低共熔混合物组成: 含Sn63% Pb-Sn体系的熔点对照表: 20 40 60 80 100 327 276 240 190 锡% 20 40 60 80 100 熔点温度℃ 327 276 240 190 200 232 最低共熔点温度℃ 181 最低共熔混合物组成: 含Sn63%

T/K L(单相区) α β 真实的Pb—Sn 金属相图 L+Sn(s) β 454K Pb(s)+Sn(s) 0(Pb) 61.9% 100%(Sn) 真实的Pb—Sn 金属相图

实验结果与讨论 ⑴结果：实测值为T铅= T锡= T低共熔= ⑵计算实验偏差： ⑶分析产生偏差的原因： ⑷有何建议与想法？

注意事项 1.Pb-Sn混合物的液相必须均匀互溶(达最高温度时，搅拌样品)； 2.样品的降温速率必须缓慢； 3.操作过程中，要防止样品被氧化及混入杂质； 4.热电偶温度计要插到玻璃套的底部。

思考题 1.是否可用加热曲线作相图，为什么？ 2.为什么要用步冷曲线作相图？ 3.为什么坩锅中的样品要加盖石墨，并严防混入杂质？ 4.实验用各样品的总重量为什么要求相等？若总重量不相等有什么影响？ 5.样品量和冷却速度对实验有何影响？