Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết gồm 80 trang word trình bày chi tiết về các trạng thái tồn tại của nước và carbon, phân tích giản đồ pha của chúng tại những điều kiện khác nhau để làm rõ bản chất tồn tại của chúng.
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học MỤC LỤC PHẦN I. NƯỚC VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC CHƯƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NƯỚC I. Giới thiệu về nước CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 1 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước là một chất duy nhất có mặt khắp nơi mà nó là thành phần chính của tất cả các sinh vật sống. Bản chất và tính chất của nước thì luôn được các nhà triết học, nhà nghiên cứu sinh vật học, và nhà khoa học tìm hiểu và khám phá kể từ thời xa xưa. Và ngày nay nước tiếp tục thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học vì sự hiểu không rỏ ràng, và những điều bí ẩn về nước và cấu trúc của nước mặc dù nó được nghiên cứu suốt nhiều năm qua. Điều này rất tất yếu vì nước có nhiều tính chất vật lý và tính chất hóa học bất thường. Một vài tính chất đặc trưng của nó là chất cần thiết cho sự sống, những mặt ảnh hưởng của nước đến kích thước và hình dạng của sinh vật, cơ chế hoạt động của nước nước như thế nào, những tính chất vật lý giới hạn thì đang được các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn. . II. Thành phần cấu tạo của nước II.1. Cấu tạo dạng đơn phân tử Nước là một hợp chất hóa học đặc biệt, nó có công thức phân tử là H 2 O (M =18) gồm hai nguyên tử hydro liên kết một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy có độ âm điện lớn vì vậy nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hydro nhỏ hơn. Kết quả là chúng chiếm ưu thế trong mối liên kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần với nguyên tử hydro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy. Sáu điện tử linh động của oxy trong phân tử nước tạo thành bốn đám mây điện tử sp 3 hướng về bốn đỉnh của một tứ diện. Hai trong bốn đám mây điện tử đó xen lẫn với đám mây điện tử của hai nguyên tử tạo thành liên kết đồng hóa trị O-H với góc liên kết H-O-H là 104 o 5 ’ , độ dài liên kết O-H là 0.96A o , trong khi hai đám mây còn lại chứa hai điện tử không liên kết. Hydro có 3 đồng vị Proti (1H), Dơtri (2H) và Triti (3H). Trong thiên nhiên 1H chiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử; 2H chiếm từ 0.0139 ÷ 0.0151% tổng số nguyên tử; đồng vị 3H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm. Oxy cũng có 6 đồng vị: 14O, 15O, 16O, 17O, 18O, 19O nhưng chỉ có 3 đồng vị thiên nhiên là 16O (chiếm 99.759% tổng số nguyên tử), trong khi đó 17O (chiếm 0.037%) và 18O (chiếm 0.037%). Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99.8% tổng lượng nước tự nhiên. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 2 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0.2% tổng lượng nước tự nhiên. Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên nhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau. Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn nhau nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hidro, nhờ đó ở nhiệt độ thường chúng ở trạng thái lỏng. Hình 1. Phân tử nước II.2. Cấu tạo dạng liên hợp của nước Dạng liên hợp được tạo thành do liên kết hydro giữa các phân tử nước, số lượng các phân tử nước tham gia vào liên hợp nước rất khác nhau. Quá trình tạo liên hợp nước gọi là quá trình hydrat hóa nước, ngược lại là quá trình phân ly liên hợp nước thành các đơn phân tử nước gọi là quá trình dehydrat hóa nước. Hai quá trình này luôn xảy ra đồng thời và tùy vào trạng thái của nước mà ta sẽ có quá trình hydrat hóa hay quá trình dehydrat chiếm ưu thế hơn. nH 2 O ↔ [H 2 O] n Như đã trình bày ở trên, do cấu tạo có 4 vị trí có thể cho hay nhận điện tử để tạo liên kết hydro mà một phân tử nước có thể gắn tối đa 4 phân tử còn lại tạo thành 4 đỉnh. Nếu số phân tử nước tăng lên nữa thì cấu trúc dạng liên hợp nước sẽ là một mạng không gian ba chiều tạo thành từ các liên kết hydro. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các phân tử nước đơn lẻ: nH 2 O ⇔ (H 2 O) n có ΔH < 0. Giá trị n thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi n = 1; ở thể rắn n = 5; ). Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 3 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học III. Trạng thái tồn tại của nước Cũng như các hợp chất hóa học khác, trong tự nhiên nước tồn tại ở cả ba trạng thái: rắn, lỏng, hơi. Nước ở trạng thái lỏng trong khoảng nhiệt độ từ 0 o C đến 100 o C. Ở trạng thái này hai quá trình hydrat hóa và dehydrat hóa nước cùng diễn ra đồng thời. Khi nhiệt độ hạ thấp dần, dao động nhiệt của các phân tử nước cũng giảm dần, tạo điều kiện cho quá trình hydrat hóa xảy ra, liên hợp nước càng lớn. Tại điểm đông đặc 0 o thì chỉ có khoảng 50% tổng số phân tử nước tham gia dạng liên hợp nước. IV. Những tính chất cơ bản của nước IV.1. Tính chất vật lý Những tính chất vật lý được lựa chọn được cho trong bảng. Khi so sánh những dung môi hữu cơ khác như methanol và dimethyl ether với nước, ta thấy một hoặc hai nguyên tử hydrogen đã được thay thế bằng nhóm methyl theo thứ tự. Nước là một dung môi nhỏ, chiếm khoảng 0,03 nm 3 /phân tử ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ và áp suất phòng, các phân tử nước liên kết với nhau rất mạnh vì tương tác mạnh liên phân tử mạnh (liên kết hydrogen giữa những nguyên tử hydrogen và những nguyên tử oxygen). Điều này được phản ánh qua nhiệt độ sôi của nước cao tức là cần môt lượng nhiệt lớn để làm bay hơi nước, và sức căng bề mặt của nước cao. Sự thay thế một hoặc hai nguyên tử hydrogen đã làm lực tương tác liên phân tử giảm mạnh. Lực tương tác mạnh và bám dính với nhau giữa những phân tử nước đã cho kết quả: (1) Độ nhớt cao chất lỏng có dòng chảy là tương tác giữa những phân tử lân cận luôn luôn bị phá vở. (2) Khả năng tạo ra nhiệt cao – khả năng để trử một nguồn năng lượng lớn cho sự tăng động năng (nhiệt độ). Bảng 1.Tính chất vật lý của nước [1] Tính chất Nước Methanol Dimethyl ether Công thức H 2 O CH 3 OH (CH 3 ) 2 O Khối lượng phân tử (g/mol) 18 32 46 Khối lượng riêng (kg/L) 0.998 0.7914 0.713 CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 4 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nhiệt độ sôi ( O K) 373 338 248 Thể tích mol (nm 3 ) 0.0299 0.0420 0.107 Khối lượng riêng lớn nhất ở ( o K) 277 Không Không Nhiệt dung riêng (JK–1 g–1) 4.18 2.53 2.37 (JK –1 mol –1 ) 75.2 81.0 109.0 Nhiệt hóa hơi (kJ g –1 ) 2.3 1.16 0.40 (kJ mol–1) 41.4 37.1 18.4 Sức căng bề mặt (mN m –1 ) 72.8 22.6 16.4 Độ nhớt (μPa s) 1002 550 233 Hằng số điện môi 78.6 33.6 5.0 Momen lưỡng cực (Cm × 10 30 ) 6.01 5.68 4.34 Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở 0 o C, sôi ở 100 o C, rất cao so với điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm. Nước thường và nước nặng có tính chất vật lý khác nhau: Bảng 2. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của nước thường và nước nặng Tính chất vật lý Nước thường 1 H 2 16 O (H 2 O) Nước nặng 2 H 2 16 O (D 2 O) Tỷ khối (d) ở 277 o K 1 1,1056 Nhiệt độ nóng chảy (oK) 273 276,8 Nhiệt độ sôi ( o K) 373 374,42 Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm (bảng 2) Bảng 3. Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường Nhiệt độ sôi ( o C) 0 10 20 30 40 50 100 Áp suất P (mmHg) 4.2 9.2 17.5 31.8 55.3 92.5 760 Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của dung dịch càng thấp. Độ hoà tan của các khí trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác. Nước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua (hấp thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ sâu trong nước. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 5 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3.98 o C (≈ 4 o C) không phải là điểm đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng. Tỷ trọng của nước thay đổi theo nhiệt độ. Đối với nước tinh khiết sự thay đổi này như trong bảng 4 Bảng 4. Sự thay đổi tỷ trọng của nước tinh khiết đối với nhiệt độ t( o C) Tỷ trọng (kg/dm 3 ) t( o C) Tỷ trọng (kg/dm 3 ) 0 0.99987 20 0.99828 4 1.00000 25 0.99707 10 0.99973 30 0.99567 15 0.99913 100 0.95838 Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt. Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH3) và tạo điều kiện giữ nhiệt ở điểm kết tinh của nước. Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g. o C) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH 3 ) nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau. Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá: 2H 2 O - 4e ⇔ 4H + + O 2 E0 = - 1,230V 2H 2 O + 2e ⇔ 2OH - + H 2 E0 = - 0,828V Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men.Nước là trung tâm cuộc sống của vi khuẩn. IV.2. Sự hòa tan các chất trong nước Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm nhập hòa tan rất nhiều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch. Với phân tử nhỏ và phân cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành các hệ phân tán như keo, huyền phù. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 6 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV.2.1. Sự hòa tan chất rắn trong nước Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòa tan. Các chất hòa tan có thể ở dạng ion cũng có thể không ở dạng ion. Cả hai loại này đều có thể hòa tan trong nước. Sự hòa tan bao chủ yếu gồm 2 quá trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá). • Quá trình lý học thường thu nhiệt: ΔΗa > 0. • Quá trình hiđrát hoá thường toả nhiệt: ΔΗb < 0. Nhiệt của quá trình hoà tan ΔΗ (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một mol chất tan vào nước): ΔΗ = ΔΗa + ΔΗb (1-1) Nếu ΔΗ > 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt. Nếu ΔΗ < 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt. Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước: - Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt. Tiếp đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập. Trong đa số trường hợp đều thu nhiệt. - Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung môi để tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa. Quá trình hòa tan là toả nhiệt. Nhiệt hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên. Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ΔH (hiệu ứng nhiệt của phản ứng) có thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Thực tế, nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng 3KJ/mol. IV.2.2. Sự hòa tan chất khí trong nước Sự có mặt của chất khí hoà tan có vai trò rất lớn đối với các đặc tính hoá, sinh học của nước, đặc biệt là oxy và khí carbonic. Sự tồn tại của các chất khí trong nước đã làm biến đổi pH và tính thế oxy hoá khử (Eh) của nước, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước. Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng hóa của nước và áp suất của chất khí đó. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 7 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với tốc độ bằng nhau. Nếu ta tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng, khí sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan trong dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc này dung dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn. Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất khí và áp suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry. Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm. Chất khí là hợp chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử hợp chất thường là phân tử phân cực. Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí giảm. Ví dụ độ hòa tan của O 2 sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước 40g/L. IV.2.3. Sự hòa tan chất lỏng trong nước Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở lớp vỏ điện tử, ). Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định. Thông thường các chất lỏng phân cực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất hữu cơ thường khó hòa tan trong nước. IV.3. Những tính chất đặc biệt của nước Tính chất đặc biệt của nước là nó có những tính chất khác biệt được tìm thấy so với những chất lỏng khác. Nước đông đặc (nước đá) cũng thể hiện khác thường khi so sánh với những chất rắn khác. Mặc dù bên ngoài có vẻ như phân tử nước khá đơn giản nhưng những tính chất của nó thì phức tạp và khác thường vì liên kết hydro nội phân tử của nó. Ở dạng hơi nó được biết là chất nhẹ nhất, nhưng ở dạng lỏng nó nặng hơn sự mong đợi, và ở dạng rắn thì nó nhẹ hơn khi so sánh nó với một chất lỏng cùng dạng với nó. Nước ở dạng lỏng thì phổ biến khắp nới trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, nó được quan tâm đến như chất lỏng “đặc trưng”. Và thật sự, nước là chất lỏng đặc trưng nó có những thuộc tính của vật liệu đặc biêt từ ở nhiệt độ thấp đến ở nhiệt độ cao. Nhiệt CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 8 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học dung riêng lớn, tính dẫn nhiệt cao góp phần cho những sinh vật điều chỉnh nhiệt và ngăn chặn sự thay đổi nhiệt độ thất thường, vì vậy mà nước cho phép chúng ta có thể điều chỉnh được nhiệt độ của chúng ta một cách dễ dàng. Nhiệt hóa hơi cao làm chống lại sự khử nước (dehyrat hóa) và sự dễ dàng làm bay hơi để làm lạnh. Nước là một dung môi ưu việt vì tính phân cực của nó, hằng số điện môi cao, và kích thước nhỏ, điều này đặc trưng cho những hợp chất phân cực và hợp chất ion và các muối. Nước có những tính chất hydrat hóa đặc thù giống như các đại phân tử sinh học (như proteins và acid nucleic) mà nó quyết định dạng cấu trúc ba chiều của nó, chức năng của nó trong dung dịch. Sự hydrat hóa này tạo ra những gel mà nó có thể chịu đựng ngược sự chuyển tiếp pha gel-sol mà chúng tồn tại trong nhiều cơ chế của tế bào. Nước ion hóa và có khả năng trao đổi proton giữa các phân tử, vì vậy nó gớp phần cho sự làm giàu tương tác ion trong sinh vật học. Trong số những tính chất đặc biệt của nước là tính chất trái ngược của nước nóng và nước lạnh, điều đáng chú ý hơn cả là ở nhiệt độ thấp nơi mà tính chất chậm đông của nước thường khác nhau của những dạng nước đá hình lục giác. Như sự chậm đông của nước lạnh là khi gia nhiệt nó co lại, nó trở nên kém dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ của nó tăng lên, tốc độ âm thanh trong giới hạn của nó tăng lên, những chất khí trở nên hòa tan ít hơn và nó dễ dàng gia nhiệt và dẫn nhiệt tốt. Trái lại, nước lỏng nóng khi được gia nhiệt nó giản nở ra, nó trở nên dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ của nó giảm đi, tốc độ âm thanh trong giới hạn của nó giảm đi, những chất khí trở nên hòa tan nhiều hơn và nó khó để gia nhiệt và nó là một chất dẫn nhiệt kém. Khi tăng áp suất các phân tử nước lạnh di chuyển nhanh hơn, nhưng những phân tử nước nóng thì di chuyển chậm hơn. Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh. Tính chất khác thường của nước xuất hiện dưới nhiều cấp độ khác nhau với những ranh giới khác nhau. Điều này thể hiện trái ngược với nguồn gốc của mô hình, không có số liệu thí nghiệm. Ranh giới “thuộc cấu trúc” chỉ ra nơi mà nước thì mất trật tự khi bị nén lại, ranh giới “động học’ chỉ ra nơi mà nước tăng tính phản xạ với khối lượng riêng, CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 9 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học ranh giới “nhiệt động học” chỉ ra nơi mà ở đó có một nhiệt độ của khối lượng riêng cực đại. Hình 2. Giản đồ tính chất của nước IV.3.1.Tính chất đặc biệt của pha nước • Nước có nhiệt độ nóng chảy cao bất thường. • Nước có nhiệt độ sôi cao bất thường. • Nước có điểm tới hạn cao bất thường • Trạng thái rắn của nước tồn tại một khoảng rộng khác nhau sự ổn định và trạng thái giả bền của những cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình hơn những vật liệu khác. • Sự dẫn nhiệt, hệ số cứng, và vân tốc âm thanh th nước đá giảm khi tăng áp suất. • Cấu trúc của nước thay đổi ở áp suất cao. • Sự chậm đông của nước có hai pha và một điểm tới hạn thứ hai tại khoảng -91 °C. • Nước lỏng có thể đễ dàng bị quá nhiệt. • Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh; Hiệu ứng Mpemba • Nước ấm dao động lâu hơn nước lạnh. IV.3.2. Tính chất đặc biệt về khối lượng riêng của nước • Khối lượng riêng của nước đá tăng lên khi tăng nhiệt độ (từ 70 o K trở lên). • Nước co lại khi nóng chảy. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 10 [...]... mặt của pha lỏng có tỷ trọng cao có chứa liên kết hydro thâm nhập vào nhau Tính chất hóa học của nước thay đổi rất lớn tại nhiệt độ cao và áp suất cao vì sự thay đổi về sự ion hóa, khả năng hòa tan, sự khuếch tan, và khả năng phản ứng vì liên kết hydro giảm dần Hình 4 Giản đồ pha của nước CBHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 14 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Hình 5 Giản đồ pha P-T của nước II Tính chất của. .. nước thì không lý tưởng D2O và T2O khác nhau rất lớn với H2O về tính chất vật lý của chúng Dạng H2O và D2O khác nhau rất lớn về tính chất pha Nước đá của H2O và D2O khác nhau rất lớn về tính chất lượng tử Năng lượng động học của nguyên tử hydro trong nước tăng lên tại nhiệt độ thấp Những chất tan ảnh hưởng khác nhau đến tính chất như khối lượng riêng và độ • nhớt Sự hòa tan của những chất khí không... tự khuếch tán ánh sáng của nước tăng lên khi khối lượng • • riêng và áp suất tăng Sự khuếch tán nhiệt tăng lên đến giá trị cực đại khoảng 0.8 GPa Nước có sức căng bề mặt cao bất thường Hình 3 Những tính chất khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau CBHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 12 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học CHƯƠNG 2 GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC I Giản đồ pha của nước Giản đồ pha của nước thì phức tạp, có... K, 20 GPa với nước lỏng siêu tới hạn, và nước đá – VII và khoảng 1500 K, 40 GPa với lỏng siêu tới hạn và nước đá – X Tuy nhiên trạng thái nước trong phần giản đồ pha thì chưa được rỏ ràng Một pha mới siêu ion với điểm ba xấp xỉ khoảng 1000 K, 40 GPa với nước lỏng (siêu tới hạn và ion hóa) và nước đá –VII tại nhiệt độ cao (~1500 oK), một pha ion hóa một phần bao gồm những lớp của OH- và H3O+ luân phiên... (Ih), nước đá – III ,nước đá – V, nước đá – VI, nước đá – VII, và có lẽ, nước đá – X có thể được cân bằng với nước lỏng (nước đá – X với nước siêu tới hạn), trong khi đó tất cả các dạng nước đá khác, bao gồm nước đá – II (II không ổn định trong sự hiện diện của bất kỳ nhiệt độ và áp suất Nước đá nhiệt độ thấp, nước đá – II, nước đá –VIII, nước đá – IX, nước đá –XI (dạng áp suất thấp), nước đá - XIII, nước. .. –IV, và nước đá –XII) tồn tại trong giản đồ pha CBHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 15 Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Hai biểu đồ dưới đây chỉ ra sự thay đổi khác nhau về tỷ trọng của chất lỏng, nước ở dạng hơi và trạng thái siêu tới hạn với nhiệt độ và áp suất khác nhau Tỷ trong của nước lỏng tăng lên với sự tăng áp suất và giảm với sự tăng nhiệt độ Hình 6 Tỷ trọng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp... ổn định nhiều ở pha nhiệt độ thấp và áp suất thấp Một mô hình nhiệt động của nước và nước đá Ih, III, V và VI và hàm nhiệt động chuyển pha được miêu tả Nước đá có thể bị phân tách ra bởi sự phân tích nhóm về cấu trúc của chúng Như nước đá ở áp suất thấp (nước đá lục phương (Ih), nước đá lập phương (Ic) , nước đá mười một (XI) Nước đá ở áp suất cao (nước đá VII, nước đá VIII, nước đá X) và những dạng... Hinh7 Tỷ trọng của những pha nước khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Ta nhìn đối diện với khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn (đó là nước đá) nước dọc theo đường pha lỏng-rắn Chú ý nhiệt độ thì khác nhau dọc theo đường pha này (chỉ đường đứt nét) Nước đá lục giá Ih ít nặng hơn nước lỏng trong khi đó những dạng nước đá còn lại nằm trong đương cân bằng với nước thì đều nặng hơn nước, với sự... luận Nhiệt động Hóa học pha chuyển thành một ở đó số phối trí của oxy tăng lên từ 4 đến 5 với sự gia tăng khối lượng riêng đáng kể III Giản đồ pha nước ở áp suất thấp III.1 Nước đá dạng lục phương (Ih) III.1.1 Một vài tính chất vật lý Nước đá dạng lục phương (Ih) là tất cả các dạng tuyết tự nhiên và nước đá trên trái đất, sáu nhóm đối xứng trong tinh thể nước đá được phát triển từ hơi nước (đó là hồ... và nước đá - XV tất cả sở hữu (nước đá – IX và nước đá - XIV không hoàn toàn) liên kết hydro trật tự entropy thấp ngược lại những nước đá khác (ngoại trừ nước đá –X và nước đá –XI nơi có liên kêt hydro đặt đối xứng và những phân tử nước không tồn tại riêng lẽ) liên kết hydro không có trật tự thậm chí đạt xuống 0 oK Cả nước đá – IV và nước đá – XII đều không ổn định trong không gian pha nước đá –V Nước . Nhiệt dung riêng (C V ) có giá trị cực đại. • Nhiệt bay hơi cao. • Nhiệt thăng hoa cao. • Entropy bay hơi cao. • Tính dẫn nhiệt của nước thì cao và tăng lên đến giá trị cực đại tại 130 °C. IV.3.5 chất đặc biệt của pha nước • Nước có nhiệt độ nóng chảy cao bất thường. • Nước có nhiệt độ sôi cao bất thường. • Nước có điểm tới hạn cao bất thường • Trạng thái rắn của nước tồn tại một khoảng. sự có mặt của pha lỏng có tỷ trọng cao có chứa liên kết hydro thâm nhập vào nhau. Tính chất hóa học của nước thay đổi rất lớn tại nhiệt độ cao và áp suất cao vì sự thay đổi về sự ion hóa, khả