Bài giảng Giản đồ pha - Chương 3: Giản đồ độ tan của các hệ bậc 2 muối nước - Nguyễn Văn Hòa

Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 1. KHÁI NIỆM VỀ GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI – NƯỚC  Hệ bậc 2 muối – nước gồm 2 cấu tử là muối và nước.  Tính chất nghiên cứu của hệ là độ tan của muối trong nước, các thông số trạng thái là thành phần x, nhiệt độ to (áp suất không đổi, 1 atm).  Số bậc tự do cực đại của hệ: Tmax = C – Pmin + 1 = 2.  Giản đồ được xây dựng trong hệ tọa độ nhiệt độ – thành phần. Thành phần được biểu diễn theo % khối lượng hay số gam (số mol) muối/100 gam (1000 mol) H2O. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC T A % Khoái löôïng A Nöôùc ñaù + A L+ nöôùc ñaù H O(W) C T W E o t L L+A A D 2 L+nöôùc ñaù H O(W) C 2 D E % Khoái löôïng A Nöôùc ñaù + A.nH O A L L+A L+A.nH O 2 2 A.nH O 2 1 E 2 G 2 H L+ A.nH O A+A.nH O 2 T W t o T A Nöôùc ñaù + A.nH O % Khoái löôïng A E H O(W) 2 A.nH O 2 2 L+nöôùc ñaù L+A.nH O 2 p L D A+A.nH O A 2 L+A M' H C T W t o T A 1 Các dạng giản đồ Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 Các yếu tố hình học • Các điểm E, E1, E2 được gọi là các điểm cryohyđrat, xảy ra kết tinh vô biến tương hợp: L⇌Muối + Nước đá • Điểm M tương ứng nhiệt độ nóng chảy của hyđrat A.nH2O. M là điểm cực đại rõ, cho biết hyđrat bền, nóng chảy không bị phân hủy. • Điểm M’ là điểm cực đại ẩn, cho biết hyđrat không bền, bị phân hủy ngay cả khi chưa đến nhiệt độ nóng chảy. • Điểm P được gọi điểm chuyển, tương ứng quá trình kết tinh vô biến không tương hợp: L + A⇌A.nH2O CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 2. KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI NỒNG ĐỘ, NHIỆT ĐỘ DUNG DỊCH TRÊN GIẢN ĐỒ VÀ TÍNH TOÁN 2.1. Khảo sát các quá trình biến đổi nồng độ và nhiệt độ a. Hòa tan muối rắn ở nhiệt độ không đổi: Thêm dần muối rắn vào dung dịch M chưa bảo hòa. Điểm hệ thu được chuyển dịch từ M  M1: muối tan; M1  M2: muối không tan, nằm cân bằng với dung dịch M1 có nồng độ bảo hòa không thay đổi là x2. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 b. Pha loãng ở nhiệt độ không đổi: CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC A L+ nöôùc ñaù Nöôùc ñaù + A x C 1 T W D E %A L L+A t o x 6 x 5 x 4 x 2 x 3 O 1 O O' N 1 M 1 N M M 2 W N 2 A TThêm nước vào hỗn hợp N. Điểm hệ thu được chuyển dịch từ N  N1: muối rắn tan, nồng độ dung dịch không đổi là x4; N1  N2: dung dịch bị pha loãng dần. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 c. Đun nóng hệ muối – nước: Đun nóng hệ O. Điểm hệ chuyển dịch từ O  O’: muối rắn tan, nồng độ dung dịch bảo hòa tăng nên điểm biểu diễn của dung dịch chuyển dịch từ O1 đến O’; từ O’ trở đi khi tiếp tục đun nóng dung dịch trở thành không bảo hòa và loãng dần. d. Làm lạnh dung dịch: Đây là quá trình kết tinh, nó xảy ra ngược lại với đun nóng. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 e. Bay hơi ở nhiệt độ không đổi: CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Khảo sát quá trình cô đẳng nhiệt hệ M cho đến thành hệ M2 ở nhiệt độ t o. Từ MM1: nước bay hơi, nồng độ dung dịch tăng dần, đến M1 dung dịch trở thành bảo hòa. Từ M1 M2: nước bay hơi, muối rắn A tách ra, nồng độ dung dịch vẫn giữ nguyên là x2. W T N o t M M M M W C D A Nöôùc ñaù + A L+A L+ nöôùc ñaù L x x %A 1 2 1 2 3 E T A Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 2.2. Ví dụ tính toán trên giản đồ độ tan hệ bậc 2 muối – nước Cho độ tan của muối FeCl3 trong hệ FeCl3 – H2O: 1) Xây dựng giản đồ độ tan hệ muối – nước đã cho. 2) Dựa trên giản đồ tính lượng nước bay hơi, cũng như thành phần và lượng các pha tạo thành ở mỗi giai đoạn sau đây trong quá trình bay hơi đẳng nhiệt 100 kg dung dịch FeCl3 46% ở 35oC (dung dịch M): - Dung dịch trở thành bảo hòa hyđrat FeCl3.6H2O và FeCl3.2,5H2O. - Hòa tan hoàn toàn FeCl3.6H2O tạo thành dung dịch. 3) Làm lạnh dung dịch M đã cho nói trên xuống 0oC. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC F d (64) a f1 a (46) M o t (73,4) e 3 E 2 (42) g (55) b (W)H O 2 (60) H (72) H (78,8) H F e C l .6 H O -10 0 20 30 40 50 10 40 50 60 70 80 %FeCl W F 1 1 c a 2 F a 2 3 F e C l .3 .5 H O 3 2 F e C l .2 .5 H O 3 2 1 2 E E 1 M' Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 3. TÍNH TOÁN KỸ THUẬT DỰA TRÊN GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CÁC HỆ MUỐI – NƯỚC 3.1. Phương pháp Van Hốp • Cách biểu diễn nồng độ: số mol muối đối với 1000 mol nước, gọi là đơn vị mol và ký hiệu là ĐM. • Cách tính toán: Phân tích quá trình xảy ra để biết sự thay đổi các thành phần của dung dịch; thiết lập phương trình cân bằng vật liệu chung của hệ dựa trên đơn vị mol ở điểm đầu, điểm cuối; rút ra các phương trình riêng theo mỗi cấu tử để xác định sự thay đổi về lượng của chúng. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 Ví dụ: Cho 100 kg dung dịch NaBr 35% (M). Dựa trên giản đồ hệ NaBr – H2O tính lượng nước cần bay hơi để cho dung dịch đạt đến trạng thái bão hòa ở 60oC. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 3.2. Phương pháp cấu tử không đổi • Nồng độ biểu diễn bình thường. • Cách tính toán: xét quá trình xảy ra; thiết lập tỉ lệ thức giữa lượng và thành phần của 1 cấu tử thay đổi với lượng và thành phần của 1 cấu tử không đổi ở dung dịch mới thu được. Ví dụ: Xét sự kết tinh 1000 kg dung dịch NaBr 56% ở 100oC (N) bằng cách làm lạnh dung dịch xuống 55oC. Tính khối lượng muối tách ra trong quá trình kết tinh. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13 3.3. Phương pháp thành lập cân bằng vật liệu • Nồng độ biểu diễn bình thường. • Cách tính toán: thiết lập phương trình cân bằng khối lượng giữa các cấu tử trong hệ đầu và hệ cuối của quá trình xảy ra; rút ra các phương trình cân bằng đối với mỗi cấu tử. Trong trường hợp có mặt hyđrat thì thiết lập thêm phương trình bổ sung dựa trên các công thức muối khan và hyđrat. Ví dụ: Làm lạnh 1000kg dung dịch N1 từ 87 oC xuống 0oC. Xác định những muối kết tinh và khối lượng chúng tách ra. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC