Quy tắc pha giản đồ pha của nước

Quy tắc pha Trong đó: • Pha: tập hợp phần đồng thể hệ có tính chất vật lí, tính chất hóa học hoàn toàn giống tách khỏi hệ bề mặt phân chia I- Hệ đồng thể gồm pha, hệ dị thể gồm hai pha hay nhiều pha Cách tính số pha sau: - Số pha lỏng số chất lỏng tạo thành pha riêng biệt - Số pha rắn tổng số chất rắn tạo thành pha khác - Đối với hệ khí, điều kiện thồng thường số pha Số pha hệ tổng pha rắn, pha lỏng pha khí • Cấu tử-chất hợp phần: chất tồn hệ, tách riêng lẽ với hệ • Số cấu tử số chất hợp phần để xây dựng hệ có thành phần cho trước Thí dụ: + Nếu hệ phản ứng hóa học chất, lượng chất cấu tử không phụ thuộc vào Số cấu tử = số chất hợp phần + Trong hệ có phản ứng hóa học lượng chất hợp phần phụ thuộc lẫn Khi xây dựng hệ có thành phần cho trước không thiết phải lấy đủ chất thành phần hệ mà số chất • Số bậc tự : số điều kiện ( thông số ) thay đổi cách độc lập mà không làm thay đổi số pha loại pha hệ (hay thông số trạng thái độc lập gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần cấu tử đủ để đặc trưng cho trạng thái cân hệ) n Số yếu tố bên định tồn hệ Thông thường có yếu tố nhiệt độ áp suất nên n=2 , có yếu tố nhiệt độ hay áp suất n=1 * Trạng thái cân bằng nhiệt động Trạng thái cân nhiệt động trạng thái mà hệ không thực công với môi trường ngược lại môi trường hoàn toàn không tác dụng công hệ Trong thực tế thật khó lòng biết hệ trạng thái cân hay chưa * Cân pha: Cân hệ dị thể mà không xảy phản ứng hoá học cấu tử với xảy trình biến đổi pha cấu tử gọi cân pha * Thiết lập Qui tắc pha Gọi X tổng số biến số trạng thái hệ Y số phương trình liên hệ biến số trạng thái Thì số bậc tự f hệ là: f=X-Y Số biến số trạng thái nhiệt độ F pha F Số biến số trạng thái áp suất F pha F Số biến số trạng thái thành phần C cấu tử F pha CF Vậy tổng số biến số X hệ là: X = F + F + CF = 2F + CF Số phương trình liên hệ biến số trạng thái gồm: - Ðiều kiện cân nhiệt độ: => có (F ( 1) phương trình - Ðiều kiện cân áp suất: - Ðiều kiện cân hóa C cấu tử F pha: - Ðiều kiện tổng thành phần chất pha phải 100% => có F phương trình (vì pha có phương trình) Như vậy, tổng số phương trình Y là: Y = (F - 1) + (F - 1) + C(F - 1) + F Y = 3F + CF - C - Bậc tự f là: f=X-Y f = 2F + CF - (3F + CF - C - 2) Biểu thức thường gọi qui tắc pha Gibbs phát biểu sau: "Số bậc tự hệ mà chịu ảnh hưởng hai biến số trạng thái nhiệt độ áp suất số cấu tử trừ số pha có hệ cộng 2" Với biến đổi áp suất không đổi áp suất khí chẳng hạn bậc tự f là: Với biến đổi đẳng áp đẳng nhiệt thì: Dựa vào qui tắc pha, phân loại hệ theo ba tiêu chuẩn là: số cấu tử, số pha hay số bậc tự - Dựa vào số cấu tử, người ta phân biệt hệ cấu tử, hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử tùy theo hệ có chứa một, hai hay ba cấu tử - Dựa vào số pha, người ta phân biệt hệ đồng thể (hệ pha), hệ dị thể (hệ hai pha, hệ ba pha ) tùy theo hệ có chứa pha, hai pha, ba pha - Dựa vào số bậc tự do, người ta phân biệt hệ không biến (vô biến, bất biến), hệ biến, hệ hai biến, hệ nhiều biến (đa biến) tùy theo hệ có bậc tự 0, 1, hay nhiều bậc tự II Phương trình Clapeyron-Clausius Đối với hệ một cấu tử ( C = 1) cân bằng pha được mô tả bằng phương trình Clapeyron Clausius: Trong đó + ∆H là biến thiên entanpi của quá trình chuyển pha ( Đối với cân bằng L ↔ H là Nhiệt hóa hơi; đối với cân bằng R ↔L là Nhiệt nóng chảy) + ∆V là biến thiên thể tích của quá trình tương ứng + T là nhiệt độ chuyển pha Công thức áp dụng cách hiệu việc xét cân rắn-lỏng.Thật vậy, nhờ có công thức mà ta giải thích nhiệt độ không đổi, tăng áp suất làm tan chảy nước đá cách tổng quát giải thích hai pha nước thể rắn thể lỏng tồn điều kiện áp suất nhiệt độ khác III Giản đồ pha Giản đồ pha (còn gọi giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) hệ công cụ để biểu thị mối quan hệ nhiệt độ, thành phần số lượng (tỷ lệ) pha (hoặc tổ chức) hệ trạng thái cân Các hệ có giản đồ pha khác chúng xây dựng thực nghiệm Trong thực tế hai giản đồ pha giống hoàn toàn tương tác cấu tử xảy phức tạp từ kiểu pha, phản ứng nhiệt độ tạo thành Xét giản đồ trạng thái hệ cấu tử Giản đồ pha tạo dựa sở số liệu thực nghiệm Giản đồ pha hệ cấu tử biểu diễn tọa độ phẳng áp suất - nhiệt độ Từ quy tắc pha : f = C - F + Khi xét với hệ cấu tử => C = => f = - F + => f = - F Vì hệ cấu tử số pha F nhiều => số bậc tự lớn hệ cấu tử Dưới giản đồ pha nước: Ðường OA đường thăng hoa H2O rắn, biểu diễn cân nước đá với nước, nghĩa (ứng với nhiệt độ, áp suất thích hợp) có cân tồn đồng thời nước pha rắn nước pha Ðường OB biểu diễn cân nước đá với nước lỏng Ðường OC biểu diễn cân nước lỏng với nước O tọa độ có cân tồn đồng thời pha rắn, lỏng, nước, vị trí có nhiệt độ 0,0098oC, áp suất 4,58mmHg gọi điểm ba nước Ở vùng H2O rắn (hoặc nước lỏng nước) có số pha F = => số bậc tự vùng là: f = - F = - = Nghĩa vùng ta tự thay đổi biến số nhiệt độ áp suất (trong chừng mực đó) mà số pha hệ Còn đường cân hai pha (OA, OB, OC) lúc số pha F = => Số bậc tự đó: f = - F = - = Nghĩa đường thay đổi tự biến số nhiệt độ (hoặc áp suất), biến số thay đổi tương ứng theo, hệ cân tồn hai pha Còn điểm ba (0), số pha F = => Số bậc tự do: f = - F = - = => Tại thay đổi biến số nhiệt độ hay áp suất mà có trị số xác định (0,0098oC; 4,58mmHg) để nước tồn đồng thời pha Ðộ dốc đường OA, OB, OC giải thích dựa vào phương trình Clapeyron: Căn vào dấu mà biết P, T đồng biến hay nghịch biến vào độ lớn mà đường biểu diễn dốc nhiều hay Ý nghĩa giản đồ pha Trong phòng thí nghiệm, nhà hóa học thường yêu cầu tách riêng cấu tử mộ hỗn hợp, chiết chất tự nhiên khỏi nước sắc hay làm sản phẩm vừa tổng hợp Khi thực việc cất phân đọan, cất lôi cuốnhơi nước, cất nước hay bớt tính phân đọan Tất kĩ thuật vận dụng chuyển dịch cân lỏng – rắn – lỏng, biểu thị rõ qua phase diagram Ngòai ra, công nghệ vật liệu, kết cấu kim lọai, tôn, chi tiết lắp ráp, sử dụng ô tô, hàng không điện gia dụng, thường làm hợp kim hai hay nhiều kim lọai Các tính chất nhiệt kim lọai phụ thuộc thành phần chúng Chẳng hạn việc cho thêm sodium chloride rắn vào nước đá tán nhỏ hạ thấp rõ rệt nhiệt độ nóng chảy nó, từ dẫn tới việc dùng hỡn hợp làm lạnh nước đá – muối rải muối đường để làm tan băng Nhôm oxide Al2O3 nóng chảy 2050 độ C, nên điện phân công nghiệp nhiệt độ ko thể, ko thực tế; việc thêm cryolite Na3AlF6 cho phép thu hỗn hợp nóng chảy 960 độ C, diện phân để điều chế nhôm Tất ứng dụng xuất phát từ việc nghiên cứu đặc trưng solid – liquid phase diagram  ... cân tồn đồng thời nước pha rắn nước pha Ðường OB biểu diễn cân nước đá với nước lỏng Ðường OC biểu diễn cân nước lỏng với nước O tọa độ có cân tồn đồng thời pha rắn, lỏng, nước, vị trí có nhiệt... một, hai hay ba cấu tử - Dựa vào số pha, người ta phân biệt hệ đồng thể (hệ pha) , hệ dị thể (hệ hai pha, hệ ba pha ) tùy theo hệ có chứa pha, hai pha, ba pha - Dựa vào số bậc tự do, người ta... tử số pha F nhiều => số bậc tự lớn hệ cấu tử Dưới giản đồ pha nước: Ðường OA đường thăng hoa H2O rắn, biểu diễn cân nước đá với nước, nghĩa (ứng với nhiệt độ, áp suất thích hợp) có cân tồn đồng