bài giảng giản đồ pha

GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI GIẢNG GIẢN ĐỒ PHA BIÊN SỌAN: TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ TP. HCM 2009 GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 2 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU I. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THÀNH PHẦN HỆ I.1. Các phương pháp biểu diễn nồng độ - Tóm tắt và nhắc lại 1 số phương pháp biểu diễn nồng độ . - Nồng độ khối lượng :  Số gam chất tan trên 100 gam dung dịch C % = *100%  Số gam chất tan trên 100 gam dung môi B = - Nồng độ thể tích :  Số gam chất tan trên 1 lít dung dịch ( C B ) ( hay kg/m 3 )  Theo số mol chất tan trên 1 lít dung dịch ( C M ) → Thường dùng hơn do xác định dung dịch bằng thể tích dễ dàng hơn bằng khối lượng . - Nồng độ mol :  Số mol chất tan trên 100 ml dung dịch , tức là % mol (N)  Số mol chất tan trên 1000 ml dung môi , thường là nước .  Số mol chất tan trong 1000 gam dung môi ( nồng độ molan ) - Nồng độ nguyên tử :  Nồng độ nguyên tử phần , là tỉ số giữa số nguyên tử gam chất tan trên tổng số nguyên tử gam của hệ .  Nguyên tử % là số nguyên tử gam chất tan trên 100 nguyên tử gam dung dịch (ít sử dụng). - Nồng độ đương lượng :  Số đương lượng gam chất tan trên 1000 gam dung môi . GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 3  Số đương lượng gam chất tan đối với 100 đương lượng gam chất kh của dung dịch.  Số đương lượng gam chất tan trong 1 lít dung dịch . I.2. Các phép tính chuyển tương hỗ nồng độ - . II. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC LOẠI GIẢN ĐỒ II.1. Giản đồ tam giác đều Hình 1.1: Giản đồ tam giác đều. Cho 3 cấu tử, giảng 3 cách xác định nồng độ  ới đường cao kẻ từ đỉnh ( tính tại A là 100% A ) → Nồng độ A tại G là x = *100 = 16.66%  Kẻ đường thẳng song song với cạnh đối diện đỉnh , tính ứng với cạnh bên .  Nối đỉnh cần tính với điểm hệ , tính tỉ lệ ( đến đáy ) → Nói chung áp dụng định lý Thalet. II.1. Giản đồ tam giác vuông  Dạng tam giác vuông có 2 cạnh góc vuông bằng nhau . Tại góc vuông biểu thị nồng độ dung môi ( H 2 O ) . Người ta chấp nhận rằng A + B + H 2 O = 100%  Phần trăm ( thành phần ) hệ chiếu trực tiếp lên các cạnh góc vuông . GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 4 Hình 1.2: Giản đồ tam giác vuông  Dạng tam giác vuông có 2 cạnh khác nhau . Thường sử dụng khi độ tan 2 muối A , B cách xa nhau . Thuận tiện cho việc chọn tỉ lệ xích . II.3. Giản đồ góc vuông  Dùng khi nồng độ sử dụng là số gam chất tan trên 100 gam ( hay 1000 g) dung môi . Lúc này tia biểu cấu tử A , B đến vô cực . Vì theo nguyên tắc , muối A , B bắt đầu kết tinh thì thành phần trên trục ở vô cực .  Thành phần xác định trực tiếp trên hệ trục Hình 1.3: Giản đồ góc vuông II.4. Hệ nhiệt độ _thành phần  Thường dùng cho hệ hai cấu tử ( Muối – Nước)  Trục đứng biểu thị nhiệt độ  Trục ngang là thành phần hệ GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 5 Hình 1.4: Giản đồ nhiệt độ - Thành phần III. CÁC QUY TẮC CƠ BẢN  Xuyên suốt quá trình học của trương trình, áp dụng để tính toán các giản đồ đa nhiệt, đẳng nhiệt phẳng. III.1 Quy tắc đường thẳng liên hợp  Tại một trạng thái nào đó của hệ, điểm biểu diễn hệ, hai hợp phần tạo nên hệ (pha lỏng và pha rắn) cùng nằm trên 1 đường thẳng. III.2. Quy tắc đòn bẩy: ( còn gọi là quy tắc về đoạn cắt hoặc quy tắc trọng tâm).  Lượng của hai hợp phần tạo nên hệ tỉ lệ nghịch với độ dài các đoạn cắt nằm giữa những điểm biểu diễn hợp phần ấy và điểm biểu diễn hệ. : Lượng muối kết tinh/ lượng dung dịch nước ót = AM/MB Lượng muối rắn tách ra/ Lượng dd đầu = AM/AB Lượng dung dich nước ót/ lượng dung dịch đầu = MB/AB IV. NHIỆT ĐỘ SÔI VÀ NHIỆT ĐỘ ĐÔNG ĐẶC IV.1. Nhiệt độ sôi  Số liệu về nhiệt độ sôi của dung dịch bậc hai ở áp suất khí quyển có sẵn trong sổ tay.  Độ tăng nhiệt độ sôi: GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 6  mKt ss .  m : nồng độ molan của dung dịch.  s K Hằng số nghiệm sôi của dung môi với nước .52,0 s K IV.2. Nhiệt độ đông đặc  Sử dụng số liệu hệ bậc 2 trong sổ tay hay dựa vào giản đồ độ tan đa nhiệt.  Độ hạ điểm đông đặc:  mKt đđ .  m : nồng độ molan của dung dịch.  đ K Hằng số nghiệm lạnh của dung môi (với nước .859,1 đ K ) GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 7 CHƯƠNG II KHÁI QUÁT VỀ GIẢN ĐỒ PHA I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM Thế hóa ( ) của chất i trong hệ là đại lượng biểu thị độ tăng thế đẳng áp của hệ khi thêm 1 mol chất i vào một lượng rất lớn của hệ trong điều kiện nhiệt độ và áp suất của hệ không đổi. Vì độ giảm biến thiên thế đẳng áp của quá trình bằng công cực đại hệ cân bằng thuận nghịch tạo ra, nên suy ra rằng sự chênh lệch thế hóa giữa hai pha là công cần thiết để dịch chuyển điện tích điểm từ pha này sang pha khác. Hệ nhiệt động (thường gọi tắt là Hệ) là một vật thể hay tập hợp nhiều vật thể mà ở giữa (và trong) các vật thể đó có trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Hệ nhiệt động không có sự trao đổi nhiệt và chất với môi trường bên ngoài được gọi là Hệ cô lập. Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động (thường gọi tắt là Hệ cân bằng) nếu như với mọi thời gian, trạng thái của hệ vẫn không đổi (nhiệt độ, áp suất, nồng độ và số lượng các pha không đổi…) Thông số trạng thái của hệ là các yếu tố quyết định trạng thái tồn tại của hệ (nhiệt độ, áp suất, nồng độ các pha, từ trường, điện trường …) Pha (P) là một tập hợp tất cả các phần đồng thể trong hệ có cùng thành phần hóa học và các tính chất vật lý. Những phần đồng thể này ngăn cách với các phần đồng thể khác của hệ bằng những bề mặt phân chia mà qua đó có sự biến đổi nhảy vọt các tính chất hóa học và vật lý. Cấu tử (C ) là số chất tối thiểu có thể tạo thành bất cứ thành phần nào của hệ. Ví dụ: Hệ gồm có Na 2 SO 4 , KCl và H 2 O là hệ 4 cấu tử. Trong hệ này có một cân bằng: Na 2 SO 4 + 2KCl  2NaCl + K 2 SO 4 Hệ có 5 chất Na 2 SO 4 , KCl, NaCl, K 2 SO 4 và H 2 O suy ra hệ có 4 cấu tử (Sinh viên đọc thêm trong sách Tính toán bằng giản đồ độ tan trong công nghệ các chất vô cơ, trang 2) Số bậc tự do ( F) là số thông số trạng thái có thể biến đổi tùy ý trong giới hạn nhất định mà không làm thay đổi số pha của hệ cân bằng. Số bậc tự do của một hệ cân bằng được tính bằng tổng số các thông số trạng thái quyết định cân bằng của hệ trừ đi số phương trình liên hệ giữa các thông số trạng thái đó. II. QUY TẮC PHA II.1 Quy tắc pha GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 8 Số bậc tự do của hệ cân bằng, mà chỉ chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngoài là nhiệt độ và áp suất, cộng số pha bằng số cấu tử của hệ cộng với 2 F + P = C + 2 ( 1.1) II.2 Chứng minh quy tắc pha Giả sử cho một hệ cô lập nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động có C cấu tử và có P pha. Để chứng minh quy tắc pha, chúng ta đi tìm số bậc tự do của hệ. Theo định nghĩa của số bậc tự do, ta cần tìm số thông số trạng thái của hệ và số mối liên hệ của chúng. Giả sử là chỉ có các yếu tố nhiệt độ, áp suất và nồng độ các chất có ảnh hường đến hệ cân bằng này. a) Tính số thông số trạng thái: Trước hết chúng ta tìm số của giá trị nồng độ ảnh hưởng đến cân bằng: Để biểu diễn thành phần của C cấu tử trong 1 pha chỉ cần biết nồng độ của C-1 cấu tử. Nồng độ của cấu tử còn lại có thể suy ra từ C-1 nồng độ của các cấu tử kia nếu chúng ta biểu diễn bằng hệ nồng độ phần trăm (%) khối lượng, % mol hay % nguyên tử gam. Suy ra số nồng độ cần thiết trong P pha là (C-1)P Vì hệ chỉ có một giá trị áp suất và nhiệt độ, nên tổng số các thông số trạng thái quyết định cân bằng của hệ là: (C-1)P + 2 (1.2) b) Tính số mối liên hệ giữ các thông số trạng thái: Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động là hệ không sinh công khi các điện tích điểm chuyển dịch từ pha này sang pha khác trong hệ. Điều đó có ý nghĩa là thế hóa của các cấu tử trong các pha bằng nhau, chúng ta có hệ các đẳng thức sau: Trong đó: P là ký hiệu số thứ tự của pha, C là ký hiệu số thứ tự của cấu tử . Mỗi hàng có P-1 biểu thức và có C hàng, suy ra có: P C 3 C 2 C 1 C p 2 3 2 2 2 1 2 p 1 3 1 2 1 1 1 GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 9 (P-1)C (1.3) biểu thức liên hệ giữa các thông số trạng thái. Theo định nghĩa của số bậc tự do, chúng ta có thể thiết lập đẳng thức tính số bậc tự do của hệ từ các công thức (1.2) và (1.3): F = (C-1)P + 2 - (P-1)C Giải ra được biểu thức (1.1) của quy tắc pha: F + P = C + 2 II.2 Quy tắc pha tổng quát: Trong trường hợp ngoài các yếu tố nồng độ các cấu tử, nhiệt độ, áp suất, còn các yếu tố khác cũng tác động đến cân bằng của hệ (ví dụ: điện trường, từ trường, sức căng bề mặt, lực hập dẫn …) thì số hạng 2 sẽ bị biến đổi. Do đó quy tắc pha tổng quát phát biểu dưới dạng công thức có dạng: F + P = C + n (1.4) Trong đó n là các số nguyên dương 0 , 1 , 2 , 3…bằng đúng các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng trừ yếu tố nồng độ các cấu tử. III . PHÂN LOẠI HỆ THEO QUY TẮC PHA Dựa trên các khái niệm cấu tử, pha, số bậc tự do ta có thể phân loại các hệ như sau : Theo số cấu tử: Hệ bậc nhất (hệ một cấu tử) Hệ bậc hai ( hệ hai cấu tử) Hệ bậc ba (hệ ba cấu tử) Theo số bậc tự do: Hệ vô biến (hệ có số bậc tự do bằng không F = 0) Hệ nhất biến (hệ có số bậc tự do bằng một F = 1) Hệ nhị biến (hệ có số bậc tự do bằng hai F = 2) Hệ tam biến (hệ có số bậc tự do bằng ba F = 3) IV . NGUYÊN LÝ TƯƠNG ỨNG Mỗi dạng hình học trên giản đồ pha đều ứng với một chất hóa học , một pha hoặc hỗn hợp mật thiết của vài pha. GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 10 Dựa vào số bậc tự do có thể biết dạng hình học của các pha trong hệ cân bằng trên giản đồ pha: Hệ có số bậc tự do bằng không (F = 0): Các pha trong hệ có dạng hình học là một điểm . Hệ có số bậc tự do bằng một (F = 1): Các pha trong hệ có dạng hình học là một đường Hệ có số bậc tự do bằng hai (F = 2): Các pha trong hệ có dạng hình học là một mặt. Hệ có số bậc tự do bằng ba (F = 3): Pha có dạng hình học là một thể tích. Ví dụ : Giản đồ pha hệ bậc hai NaCl –H 2 O trên hình 2.1 Hệ cân bằng NaCl.2H 2 O(r)  L có F = 1 có dạng hình học của NaCl.2H 2 O là GK và dạng hình học của pha lỏng L là PE Hệ chỉ có pha lỏng có F = 2 có dạng hình học của pha lỏng là AEPBC Hình 2.1 Giản đồ hệ bậc hai NaCl – H 2 O V . NGUYÊN LÝ LIÊN TỤC Khi thay đổi liên tục thông số trạng thái của hệ (nhiệt độ,áp suất hoặc thành phần …) trong trường hợp không có sự xuất hiện pha mới hay biến mất pha cũ ở trong hệ đó, thì tính chất vật lý của hệ sẽ thay đổi một cách liên tục và do đó đường cong biểu diễn sự phụ thuộc đó là một đường cong liên tục. Nếu khi thay đổi liên tục thông số trạng thái của hệ (nhiệt độ,áp suất hoặc thành phần …) mà có lúc trong hệ xảy ra một sự biến hóa nào đó (xuất hiện pha mới, mất pha cũ…) thì tính chất vật lý của hệ sẽ bị gián đoạn tại chỗ xảy ra sự biến hóa đó và do đó đường cong biểu diên sự phụ thuộc này sẽ mất liên tục tại chỗ hệ có sự biến hóa đó. [...]...GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ VI KHÁI NIỆM VỀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI VI.1 Khái niệm chung Giản đồ trạng thái đơn giản nhất có thể biễu diễn trên mặt phẳng Trong những trường hợp phức tạp hơn thì dùng giản đồ không gian và các hình chiếu của chúng trên các mặt phẳng nằm ngang và thẳng đứng Những giản đồ này thiết lặp mối liên hệ giữa thành phần – trạng thái – tính chất của hệ Các loại giản đồ: Giản. .. ở các nhiệt độ khác nhau,tính thành phần và từ đó ta dựng được giản đồ độ tan 2) Giản đồ và các khu vực trên giản đồ: Ví dụ người ta xây dựng được giản đồ độ tan của 1 hệ muối nước như sau (tổng quát): 18 GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ Hàm lượng muối ,% khối lượng Hình 3.3: Giản đồ nhiệt độ - thành phần của hệ muối nước bậc 2 Xét giản đồ ta có : - F đặt trưng cho 100% hàm lượng nước - H đặt trưng... đại hơn, qua thực nghiệm ngươi ta đã xây dựng giản đồ độ tan ( phụ thuộc nhiệt độ) của nhiều lại muối khác nhau, trong hệ tọa độ vuông góc VD: Ta có giản đồ phụ thuộc độ tan- nhiệt độ một số muối: 11 GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ Hình 2.2: Giản đồ phụ thuộc độ tan- nhiệt độ một số muối 2 hau 300 2SO4 Na2SO4.10H2 ) )” VII.1 1 2 [A] +[ H2O] = K 12 GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 2O -A ) [A] +... TẬP CHƯƠNG GIẢN ĐỒ BẬC 2 HỆ MUỐI – NƯỚC Bài 3.1: Dựa trên các giản đồ Hệ bậc 2 Muối – nước (đơn giản và có hydrat), SV tự cho các hệ, xét các quá trình kết tinh đẳng nhiệt, làm nguôi kết tinh Tính thành phần hệ,lượng nước bốc hơi,lượng muối kết tủa trong quá trình Bài 3.2: Dựa trên giản đồ tính lượng nước cần thêm vào để hòa tan x g muối đến bão hòa cho 1 hệ bất kỳ Bài 3.3: Dựa trên giản đồ xét và tính... điểm chuyễn sẽ đi từ dạng hydrat này -> hydrat khác -> giảng vể quá trính biến đổi đẳng nhiệt, đa nhiệt Đường cong áp suất của dung dịch và của hydrat tinh thể (tự đọc) Giảng sơ về độ quan trọng của áp suất hơi (xác định sự chuyển biến hóa học, sự chuyển pha, điều kiện bốc hơi…) Giảng về sự biến thiên giản đồ áp suất – nhiệt độ sau: Hình 3.8: Giản đồ áp suất – nhiệt độ Áp suất dd tăng từ C1 theo to,... Hay ta quen viết theo x.KM = y.KN Theo đồ thị đã học ,ta có: 27 GIẢN ĐỒ PHA x= TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ N2M 2 100% là lượng pha rắn N 2 P2 Lượng pha lỏng y = M 2 P2 100% =100% - x N 2 P2 Chứng minh: cho dd M có m% muối B Sau làm lạnh -> M2 => pha lỏng N2 có n% muối ăn Pha rắn P2 Gọi lượng pha rắn đã tách ra là x Lượng pha lỏng còn lại là y Ta có: Lượng muối trong pha lỏng = ny 100 Tổng hệ là x+y Tổng... NaBr.5H2O 24 GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 5 H, D, NaBr, NaBr.2H2O 6 H, D, NaBr.2H2O, NaBr.5H2O 100 80 NaBr 60 K2 K1 D 50.6 40 20 NaBr.2H2O 0 -20 E -22 -40 NaBr.5H2O B -27 20 B 40 30 50 60 Hình 3.7: Giản đồ độ tan của hệ NaBr – H2O Trạng thái hệ không có độ tự do nào (không biến) được biểu diễn bởi 1 điểm trên giản đồ, theo quy tắc pha, trên giản đồ cùa ta có thể có 6 điểm như vậy ( trên giản đồ có 3 điểm... làm lạnh đến tko thì điểm hệ về N1 Pha rắn ở B còn pha lỏng ở K Theo qui tắc đòn bẩy : Gọi lượng pha rắn tách ra là x => lượng dung dịch còn lại là 5,2 – x 29 GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 100 80 60 40 20 N M 0 A B K N1 10 12 18.5 20 30 37 % KCl 40 Hình 3.11: Giản đồ nhiệt độ - thành phần hệ KCl – nước  => x = 1.826 tấn nước đá (Dựa trên đồ thị này cho các bài khác ) III.2.Tính theo phương pháp... tắc tiếp xúc các dạng hình học của các hệ trên GDP Trên giản đồ pha các dạng hình học biểu diễn các hệ có số pha hơn kém nhau một pha mới có thể tiếp xúc với nhau Ví dụ: GDP hình 3.3 có vùng I biểu diễn hệ chỉ có 1 pha lỏng chưa bão hòa tiếp xúc với các vùng II có 2 pha lỏng & rắn A và vùng III có hai pha lỏng & rắn Vùng IV cũng biểu diễn hệ chứa 2 pha rắn A và B nên theo quy tắc này không thể tiếp xúc... Hình 3.12: Giản đồ nhiệt độ - thành phần KCl cho ví dụ này Giải o Theo giản đồ, ở 0 C : 21% KCl ,79% H 2 O Tính trên 100kg hh đầu: x: lượng KCl đã tách ra Gọi a: nồng độ ban đầu, a=30% b: nồng độ dd nước ót, b=21% c: nồng độ pha rắn (KCl khan), c= 100% x 100(a b) (c b ) 100(30 21) 11,38kgKCl 100 21 Tổng lượng KCl đã kết tinh mKCl 11,38.5,2.103 100 35 593kg GIẢN ĐỒ PHA TS HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ DẠNG BÀI TẬP . từ đó ta dựng được giản đồ độ tan. 2) Giản đồ và các khu vực trên giản đồ: Ví dụ người ta xây dựng được giản đồ độ tan của 1 hệ muối nước như sau (tổng quát): GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG. trên giản đồ pha đều ứng với một chất hóa học , một pha hoặc hỗn hợp mật thiết của vài pha. GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 10 Dựa vào số bậc tự do có thể biết dạng hình học của các pha. GIẢN ĐỒ PHA TS. HÙYNH KỲ PHƯƠNG HẠ 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI GIẢNG GIẢN ĐỒ PHA BIÊN SỌAN: TS. HÙYNH KỲ