bài 3 cân bằng lỏng rắn

Mục đích thí nghiệm - Khảo sát cân bằng dị thể giữa 2 pha lỏng- rắn trong 2 hệ cấu tử kết tinh không tạo hợp chất hóa học và dung dịch rắn - Xây dựng giản đồ pha và xác định trạng thái e

BÀI 3: CÂN BẰNG LỎNG - RẮN

Ngày thực hành: 30/09/2016

Sinh viên: Lê Thị Kim Thoa

I Mục đích thí nghiệm

- Khảo sát cân bằng dị thể giữa 2 pha lỏng- rắn trong 2 hệ cấu tử kết tinh không tạo hợp chất hóa học và dung dịch rắn

- Xây dựng giản đồ pha và xác định trạng thái eutecti của hệ

I Cơ sở lý thuyết:

- Về nguyên tắc cân bằng lỏng - rắn giống cân bằng lỏng – hơi Điểm khác nhau cơ bản là cân bẳng lỏng – rắn không phụ thuộc vào áp suất

- Phương trình Gibbs: c=k-f+1

- Sự phụ thuộc của hệ cân bằng lỏng- rắn vào nhiệt độ được biểu diễn bằng giản đồ pha

II Phương pháp tiến hành

Cân bằng cân phân tích vào 8 ống nghiệm diphenylamine và naptalen có thành phần như sau:

Bảng khối lượng các hóa chất trong các ống nghiệm từ 1 đến 8

- Đun một cốc nước sôi, nhúng lần lượt từng ống nghiệm vào

- Khi hỗn hợp trong ống chảy lỏng hoàn toàn thì lấy ra lau khô ống nghiệm và bắt đầu theo dõi sự hạ nhiệt độ theo thời gian, cứ 1 phút ghi nhiệt độ 1 lần

- Tiếp tục theo dõi nhiệt độ cho đến khi hỗn hợp đông cứng lại

- Sau khi hỗn hợp đông cứng, theo dõi khi nhiệt độ xuống đến 20 –30oC thì ngưng

III Kết quả thí nghiệm:

Thời

gian

(phút)

Nhiệt độ (oC)

29 30

30

Nhận xét và giải thích

Cân bằng lỏng- rắn không phụ thuộc nhiều vào áp suất ( ở khoảng vài atm)

- Trong giản đồ nhiệt độ - thời gian:

Các đường (1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8) trong giản đồ nhiệt độ - thời gian ở trên là các đường cong nguội lạnh tương ứng với thành phần cấu tử trong hỗn hợp khác nhau

Đường (1),(8) biểu diễn đường cong nguội lạnh lần lượt của Diphenilamin và Naphtalen nguyên chất

Ta nhận thấy các đường (2),(3),(4),(5),(6),(7) có cùng 1 thời điểm mà tại đó

đồ thị của chúng là những đường nằm ngang Điểm đó ứng với quá trình kết tinh Eutecti (có sự kết tinh đồng thời của cả Diphenilamin và Naphtalen), vì dung dịch bão hòa cả hai cấu tử

- Trong giản đồ nhiệt độ - thành phần

Đường AED là đường lỏng

Đuờng AadD là đường rắn

Ở vùng phía trên đường lỏng hệ tồn tại ở trạng thái dung dịch đồng nhất 1 pha lỏng Ở vùng phía dưới đường rắn hệ dị thể gồm hai pha Diphenilamin rắn và Naphtalen rắn

Ở vùng giới hạn bởi hai đường rắn và lỏng hệ tồn tại hai pha cân bằng lỏng – rắn

Điểm E gọi là điểm Eutecti

Đường cong AE mô tả nhiệt độ bắt đầu kết tinh của rắn Diphenilamin từ những dung dịch có thành phần nằm trong khoảng BC

Đường cong AE mô tả cân bằng giữa rắn Diphenilamin và dd bão hòa Diphenilamin nên nó mô tả sự phụ thuộc độ hòa tan của rắn Diphenilamin vào nhiệt độ, vì vậy còn có thể gọi là đường hòa tan của Diphenilamin (hay đường kết tinh của Diphenilamin ).Tương tự như vậy đối với đường DE

Ta hạ nhiệt độ của hệ 2 chất rắn trên, khi nhiệt độ hạ đến T1 điểm biểu diễn hệ

sẽ chạy từ Q đến L1.Tại điểm L1 hệ bão hòa cấu tử Naphtalen nên tinh thể rắn Naphtalen đầu tiên kết tinh ra và có điểm biểu diễn là K1.Bắt đầu từ đó hệ bao gồm hai pha cân bằng với nhau Độ tự do c = k – f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1 ( P=const )

 nếu nhiệt độ của hệ thay đổi thì thành phần của pha lỏng sẽ thay đổi theo Khi điểm pha lỏng đạt điểm eutecti, dung dịch bão hòa cả hai cấu tử, từ đó 2 chất rắn sẽ đồng thời kết tinh (cho đến khi toàn bộ hệ trở thành rắn), trong giai đọan đó hệ bao gồm ba pha cân bằng có c = k – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0  trong suốt quá trình kết tinh ra hai pha rắn từ dd, nhiệt độ của hệ và thành phần pha lỏng không thay đổi

Dùng giản đồ nhiệt độ - thành phần ta có thể khảo sát định tính và định lượng các quá trình cân bằng lỏng – rắn xảy ra trong hệ hai cấu tử A-B.

IV Trả lời câu hỏi:

1 Nhận xét sự thay đổi nhiệt độ kết tinh của quá trình kết tinh dung dịch 2 cấu

tử với quá trình kết tinh dung dịch 1 cấu tử?

Đường nguội (hay đường kết tinh) của 1 cấu tử nguyên chất gồm những nhánh gần như dốc thẳng đứng, chứng tỏ có sự nguội khá nhanh, khi tới nhiệt độ kết tinh thì có một đọan thẳng ngang chứng tỏ nhiệt độ không đổi; đó là do có nhiệt kết tinh được tỏa ra bù vào chổ mất nhiệt do nguội tự nhiên, kết quả là cấu tử đó kết tinh ở nhiệt độ không đổi (dưới áp suất ngoài không đổi) Sau khi đã kết tinh xong thì nhiệt độ mới lại tiếp tục hạ thấp, do đó lại có một nhánh dốc, nhưng kém dốc hơn nhánh đầu tiên

Đối với hỗn hợp hai cấu tử theo những thành phần khác nhau; những đường nguội thọat đầu cũng như một nhánh dốc gần thẳng đứng (nguội nhanh), khi tới nhiệt độ bắt đầu kết tinh thì nguội chậm lại do có nhiệt kết tinh được tỏa ra

nhưng chưa đủ để làm cho nhiệt độ không đổi, điều này được phản ánh trên đường nguội bằng một nhánh dốc ít hơn so với nhánh đầu tiên Sự kết tinh từ dung dịch sẽ cho tinh thể nguyên chất nào hoặc cả hai tinh thể cùng một lúc là tùy thuộc vào thành phần của mỗi cấu tử trong dung dịch so với thời điểm eutecti của hệ

2 Hỗn hợp eutecti là gì? Ứng dụng?

Ở áp suất không đổi, hỗn hợp eutecti sẽ kết tinh ở nhiệt độ không đổi theo đúng thành phần của nó ( phù hợp với độ tự do c = 0) Hỗn hợp eutecti có tính chất giống như một hợp chất hóa học, song nó không phải là một hợp chất hóa học mà chỉ là một hỗn hợp gồm những tinh thể rất nhỏ, rất mịn của hai pha rắn A

và B nguyên chất kết tinh xen kẽ vào nhau

Khi có sự tác động của cả nhiệt độ và áp suất bên ngoài c = k - f + 2 = 2 - 3 +

2 = 1, cho thấy nếu áp suất thay đổi thì không những nhiệt độ kết tinh của dd eutecti thay đổi mà cả thành phần cảu hỗn hợp cũng thay đổi theo (như vậy nó không phải là một chất)

Hỗn hợp eutecti có khá nhiều ứng dụng trong thực tế, ví dụ ta muốn có “ thiếc hàn” nóng chảy ở nhiệt độ thấp , ngưới ta trộn thiếc (to nc=232oC) và chì (to nc=327oC) theo các thành phần thích hợp sẽ thu được các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 200oC