Đây là bài báo cáo thí nghiệm hóa lý của sinh viên thực hiện. Số liệu được trình bày chỉ mang tính chất cá nhân, nên khi tham khảo mọi người hãy có chọn lọc vì khi thực hiện trong những môi trường khác nhau thì kết quả sẽ khác nhau. Xin cảm ơn đọc giả
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HĨA LÝ BÀI 2: CÂN BẰNG LỎNG – RẮN I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM - Nắm nguyên tắc phương pháp phân tích nhiệt - Áp dụng qui tắc pha giải thích dạng đường cong nguội lạnh - Thiết lập giản đồ “nhiệt độ - thành phần khối lượng” hệ hai cấu tử kết tinh khơng tạo hợp chất hóa học hay dung dịch rắn II GIỚI THIỆU Điều kiện cân pha: - Nhiệt độ: cân bằng, nhiệt độ tất pha phải �� = �� = �� = = �� - Cơ học: cân bằng, áp suất tác động lên pha phải �� = �� = �� = = �� - Hóa học: cân bằng, hố cấu tử tất pha phải � � � � � � ��1 = �1 = �1 = = �1 ��2 = �2 = �2 = = �2 � Quy tắc pha Gibbs: � � ��� = �� = �� = = �� c = k − f + n Sự phụ thuộc hệ cân lỏng- rắn vào nhiệt độ biểu diễn giản đồ pha Hình Giản đồ đường nguội nhiệt độ - thời gian (T – t) nhiệt độ - thành phần (T – x) hệ kết tinh hai cấu tử A B Trên hình 1: (1) ứng với 100% A; (6) ứng với 100% B; (2), (4), (5) ứng với hỗn hợp có giá trị %B tăng dần, (3) ứng với hỗn hợp có thành phần thành phần eutecti Trên đường (1) (6) đoạn thẳng nằm ngang ứng với trình kết tinh A B nguyên chất Trên đường (2), (3), (4), (5) đoạn nằm ngang ứng với trình kết tinh eutectic, điểm c, d, f ứng với điểm bắt đầu kết tinh cấu tử (trong hỗn hợp 2, 4, 5) Trong thực nghiệm việc xác định điểm eutecti quan trọng lại khó Thường dùng phương pháp tam giác Tamman để xác định thành phần eutectic – điều kiện nguội lạnh hoàn tồn độ dài đoạn nằm ngang (thời gian kết tinh) đường cong nguội lạnh tỉ lệ với lượng eutectic Như đặt đoạn AB thành phần trục tung độ dài đoạn nằm ngang đường nguội lạnh tương ứng nối đầu mút lại, ta tam giác AIB Đỉnh I tam giác ứng với thành phần eutecti Tam giác AIB gọi tam giác Tamman - Từ số liệu thực nghiệm T – t (nhiệt độ - thời gian) ta vẽ đƣờng cong nguội có dạng đường (1) (6) - Ta xác định điểm gãy khúc (các điểm chuyển pha) giản đồ T – t đường nguội - Vẽ giản đồ T – x (nhiệt độ - thành phần) theo nhiệt độ - thành phần cho dung dịch thí nghiệm - Dựng đường thẳng song song trục tung giản đồ T – x - Từ điểm gãy khúc giản đồ T – t , ta vẽ đường thẳng song song trục hoành, đường cắt đường song song trục tung giản đồ T – x giao điểm - Nối giao điểm lại ta có đường aed - Xác định nồng độ eutectic dựa vào tam giác Tamman III.THỰC NGHIỆM a Hóa chất dụng cụ Bảng Hóa chất dụng cụ Dụng cụ Số lượng Hóa chất Ống nghiệm Hỗn hợp Naphthalene – Bếp điện Diphenylamine pha Nhiệt kế rượu 100oC Đũa khuấy vòng Becher 500mL Chậu nhựa Nút cao su sẵn theo thành phần bảng Số lượng ống Bảng Thành phần hỗn hợp Naphthalene - Diphenylamine ống nghiệm Ống nghiệm Naphthalene 10 4.5 2.5 Diphenylamine 5.5 7.5 10 b Quy trình thí nghiệm Hình Quy trình tiến hành thí nghiệm Chú ý : Q trình đun nóng ống nghiệm đun cách thủy IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN a Kết thí nghiệm Bảng Kết ghi nhiệt độ thay đổi hỗn hợp ống nghiệm Nhiệt độ Thời gian Ống Ống Ống Ống Ống Ống Ống Ống 84 77 76 72 66 82 86 73 81 71 70 69 63 76 80 69 80 70 65 62 61 66 74 65 79 70 63 60 56 62 70 60 79 69.5 58.5 58 52 58 65 55 78.5 69 58 52 48 57.5 60 53.5 78 68 57 50 45 53.5 59.5 53 77.5 67 56.5 49 43 50 55 52.5 76.5 65.5 56 46 41 47 53 52 10 75.5 64 55 46 37 44.5 51 51 11 74.5 62 54 45 33 43 48 50 12 53 44.5 41 48 50 13 51 44 38 47 50 14 49.5 43 33 46.5 (phút) 15 49.5 42.5 32.5 45 16 48 41 44.5 17 47 40.5 42 18 45 36 41 19 40 20 40 * Nhiệt độ in đậm: nhiệt độ xuất vết tinh thể b Kết tính Bảng Nhiệt độ kết tinh theo thành phần Diphenylamine Ống Thành phần (%) Diphenylamine Nhiệt độ (oC) 20 40 55 70 75 90 100 80 71 58.5 46 37 33 47 53.5 Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình 10 Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) ống Hình 11a Đồ thị nhiệt độ - thành phần hệ diphenylamine – naphthalene Hình 11b Đồ thị nhiệt độ - thành phần hệ diphenylamine – naphthalene Nhận xét: - Theo đồ thị hình 11a, ta thấy nhiệt độ Etectic 33oC - Thành phần Etectic hệ 75% Diphenylamine 25% Naphthalene - Trong hình 11b, đường cong AE đường kết tinh rắn Diphenylamine, mô tả cân rắn Diphenylamine dung dịch bão hòa Diphenylamine, thể hòa tan rắn Diphenylamine vào nhiệt độ Đường cong DE đường kết tinh Naphthalene, mô tả cân rắn Naphthalene dung dịch bão hòa Naphthalene, thể hòa tan rắn Naphthalene vào nhiệt độ - Vùng phía đường AED, hệ lỏng tồn dạng đồng thể pha c=1-1+2=2 - Vùng phía đường AED, hệ dị thể gồm hai pha Diphenylamine rắn Naphthalene rắn c=2-2+2=2 - Khi điểm pha lỏng đạt điểm eutectic, dung dịch bão hòa hai cấu tử, từ chất rắn đồng thời kết tinh (cho đến toàn trở thành rắn), giai đoạn hệ bao gồm ba pha cân có c = k – f + = - +1 = - Có thể tính lượng hai cấu tử giản đồ quy tắc đường thẳng liên hợp, quy tắc đòn bẩy, quy tắc liên tục c Các khó khăn gặp phải trình thực nghiệm biện pháp khắc phục: - Đun nóng lâu làm chất rắn thăng hoa bám vào thành ống, hỗn hợp vừa chảy lỏng hồn tồn tiến hành thí nghiệm, khơng nên đun lâu - Lắp nhiệt kế thẳng đứng để nhìn bầu nhiệt kết phải ngập dung dịch để kết xác - Khơng rút ống nghiệm mà phải rút ống nghiệm từ từ thành phần ống nghiệm tan để tránh gãy ống nghiệm V TRẢ LỜI CÂU HỎI Có kết luận việc thay đổi nhiệt độ kết tinh trình kết tinh hệ cấu tử hệ hai cấu tử ? Đường nguội (hay đường kết tinh) cấu tử nguyên chất gồm nhánh gần dốc thẳng đứng, chứng tỏ có nguội nhanh, tới nhiệt độ kết tinh có đoạn thẳng ngang chứng tỏ nhiệt độ khơng đổi; có nhiệt kết tinh tỏa bù vào chỗ nhiệt nguội tự nhiên, kết cấu tử kết tinh nhiệt độ khơng đổi (dưới áp suất ngồi khơng đổi) Sau kết tinh xong nhiệt độ lại tiếp tục hạ thấp, lại có nhánh dốc, dốc nhánh Đối với hỗn hợp hai cấu tử theo thành phần khác nhau, đường nguội đầu nhánh dốc gần thẳng đứng (nguội nhanh), tới nhiệt độ bắt đầu kết tinh nguội chậm lại có nhiệt kết tinh nhiệt độ không đổi, điều phản ánh đường nguội nhánh dốc so với nhánh Sự kết tinh từ dung dịch cho tinh thể nguyên chất hai tinh thể lúc tùy thuộc vào thành phần cấu tử dung dịch so với thời điểm eutectic hệ Hỗn hợp eutectic ? Ứng dụng ? Hỗn hợp eutectic hỗn hợp đồng chất tan chảy hóa rắn nhiệt độ thấp điểm nóng chảy hai thành phần Các lồi ngun tử hóa học riêng biệt tạo thành mạng tinh thể siêu liên kết, cách tạo tỷ lệ phần trăm nguyên tử thành phần – thành phần nguyên chất có cách xếp mạng tinh thể riêng biệt Chỉ tỷ lệ nguyên tử phân tử này, hệ thống eutectic tan chảy toàn bộ, nhiệt độ cụ thể (nhiệt độ eutectic) Mạng siêu giải phóng lúc tất thành phần thành hỗn hợp lỏng Nhiệt độ eutectic nhiệt độ nóng chảy thấp tất tỷ lệ pha trộn cho thành phần liên quan Khi đun nóng, tỷ lệ hỗn hợp khác đạt đến nhiệt độ eutectic – mạng tinh thể thành phần tan chảy trước, nhiệt độ hỗn hợp phải tăng thêm cho (tất cả) mạng tinh thể khác tan chảy Ngược lại, hỗn hợp không eutectic nguội đi, thành phần hỗn hợp đông cứng (tạo thành mạng tinh thể) nhiệt độ riêng biệt, hỗn hợp trạng thái hóa rắn Hỗn hợp eutectic có nhiều ứng dụng thực tế, luyện kim nhiều lĩnh vực khác Ví dụ ta muốn có “thiếc hàn” nóng chảy nhiệt độ thấp, người ta trộn thiếc (tnc = 232oC) chì (tnc= 327oC) theo thành phần thích hợp thu hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp 200oC ... Diphenylamine ống nghiệm Ống nghiệm Naphthalene 10 4.5 2.5 Diphenylamine 5.5 7.5 10 b Quy trình thí nghiệm Hình Quy trình tiến hành thí nghiệm Chú ý : Q trình đun nóng ống nghiệm đun cách thủy... kết tinh rắn Diphenylamine, mô tả cân rắn Diphenylamine dung dịch bão hòa Diphenylamine, thể hòa tan rắn Diphenylamine vào nhiệt độ Đường cong DE đường kết tinh Naphthalene, mô tả cân rắn Naphthalene... Xác định nồng độ eutectic dựa vào tam giác Tamman III.THỰC NGHIỆM a Hóa chất dụng cụ Bảng Hóa chất dụng cụ Dụng cụ Số lượng Hóa chất Ống nghiệm Hỗn hợp Naphthalene – Bếp điện Diphenylamine pha Nhiệt