Bài giảng Giản đồ pha - Chương 7: Giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 4 muối – nước đơn giản - Nguyễn Văn Hòa

Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 1. Khái niệm về giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 4 muối – nước đơn giản. 1.1. Khái niệm chung - Hệ muối – nước bậc 4 đơn giản là hệ gồm 3 muối có ion chung và nước: AX –AY –AZ – H2O. - Tính chất nghiên cứu hệ là độ tan và ở p = const. Khi đó Tmax = 4 – Pmin + 1 = 4, nghĩa là các thông số xác định trạng thái cân bằng của hệ là t0 và 3 nồng độ của 3 muối. - Thực tế, nghiên cứu hệ ở t0 = const. Khi đó giản đồ được gọi là giản đồ độ tan đẳng nhiệt không gian (3 chiều). CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 1.2. Các phương pháp biểu diễn thành phần hệ bậc 4 muối-nước đơn giản. - Phương pháp tứ diện đều • Thành phần hệ được biểu diễn theo % khối lượng hay % mol. Chiều dài mỗi cạnh tứ diện được chia làm 100 phần. • Đỉnh tứ diện biểu diễn H2O, các cạnh từ đỉnh này là các trục tọa độ, bề mặt tứ diện đối diện với đỉnh nước là mặt đáy và biểu diễn thành phần các muối, các bề mặt khác của tứ diện biểu diễn các hệ bậc 3 muối – nước, các cạnh tứ diện biểu diễn các hệ bậc 2 muối – nước. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Để xác định điểm biểu diễn M của hệ gồm a% AX, b% AY, c% AZ, d% H2O có thể tiến hành như sau: từ đỉnh nước, trên cạnh WAX đặt đoạn thẳng WA’ bằng a%, từ điểm A’ vẽ trong bề mặt WAXAY đoạn thẳng A’B’ bằng b% song song với cạnh WAY, rồi từ B’ vẽ trong mặt phẳng chứa cạnh WAZ và B’ đoạn thẳng B’C’ bằng c% song song với cạnh WAZ. Điểm C’ chính là điểmM. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN - Phương pháp lăng trụ 3 mặt: • Đáy là tam giác đều, biểu diễn thành phần 3 muối theo % khối lượng hay mol. • Trên các cạnh thẳng góc với các đỉnh tam giác đáy biểu diễn hàm lượng nước tính theo tổng hàm lượng 3 muối nói trên (ví dụ: số gam nước/100 gam các muối hay số mol nước/100 mol các muối). H O 2 2 H O 2 H O s o á m o l H O /1 0 0 m o l c a ùc m u o ái AX AZ AY 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 2. Giản đồ độ tan đẳng nhiệt của hệ bậc 4 muối – nước tạo thành hỗn hợp eptonic 2.1. Trường hợp các muối kết tinh dạng khan a. Các yếu tố hình học: • Điểm eptonic O: tương ứng dung dịch bảo hòa 3 muối và khi kết tinh từ dung dịch chúng sẽ đồng thời tách ra, nghĩa là sẽ xảy ra quá trình kết tinh vô biến tương hợp được biểu diễn bằng phản ứng: LO ⇌AX +AY +AZ. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 2 R R 3 W(H O) 2 o' E L 2 E o 1 M F 3 F 1 F E 2 N F' AX F' 2 E' 3 E' 1 E' 2 AZ AY Đường cong kết tinh bậc 2 (E1O, E2O, E3O): biểu diễn các dung dịch bảo hòa 2 muối, tương ứng quá trình kết tinh nhất của cặp muối. Bề mặt cong kết tinh bậc 1 (LE1OE3L, ME2OE1M, NE3OE2N): biểu diễn các dung dịch bảo hòa 1 muối, tương ứng quá trình kết tinh nhị biến của 1 muối. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 Thể tích pha: có 8 thể tích, gồm: 1 thể tích 1 pha lỏng (dung dịch chưa bảo hòa), 3 thể tích 2 pha (dung dịch bảo hòa 1 muối và những tinh thể của muối đó), 3 thể tích 3 pha (dung dịch bảo hòa 2 muối và những tinh thể 2 muối đó), 1 thể tích 4 pha (dung dịch bảo hòa 3 muối và những tinh thể 3 muối đó). b. Hình chiếu tâm trên mặt đáy của giản đồ độ tan đẳng nhiệt không gian: Nguyên tắc phương pháp chiếu tâm: CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 • Từ đỉnh W (H2O) của tứ diện vẽ đường thẳng qua điểm muốn chiếu, ví dụ điểm F, (tia WF). Giao điểm của tia WF với mặt đáy AXAYAZ, điểm F’, là điểm cần tìm. Từ đây: tất cả các điểm nằm trên cạnh tứ diện, ví dụ cạnh WAZ, sẽ có hình chiếu là điểm AZ; tất cả các điểm nằm trong mặt tứ diện, ví dụ mặt WAXAZ, sẽ có hình chiếu nằm trên cạnhAXAZ • Nếu điểm F có thành phần là a% AX, b% AY, c% AZ, thì điểm hình chiếu F’ sẽ có thành phần là a’% AX, b’% AY, c’%AZ: a′ = 100a a+b+c ; b′ = 100b a+b+c ; c′ = 100c a+b+c CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 Hình chiếu tâm là hình chiếu không nước vì chỉ có thành phần muối của dung dịch được thể hiện trên nó và có thể áp dụng quy tắc đòn bẩy để tính toán quá trình kết tinh đẳng nhiệt. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Các yếu tố hình học: • Các trường kết tinh bậc 1 (AXE1 ’O’E3 ’AX; AYE2 ’O’E1 ’AY; AZE3 ’O’E2 ’AZ): Tương ứng quá trình kết tinh của 1 muối từ dung dịch. 12 E' AX AY O' F' R' AX 2 F' 3 E' AZ AY E' 2 AZ Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 • Các đường cong kết tinh bậc 2 (E1 ’O’; E2 ’O’; E3 ’O’): Tương ứng quá trình kết tinh đồng thời của 2 muối từ dung dịch. • Các điểm eptonic của các hệ muối – nước bậc 3 (E1 ’; E2 ’; E3 ’): Tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp của các cặp muối từ dung dịch. • Điểm eptonic bậc 3 (O’): Tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp của 3 muối từ dung dịch: LO’⇌AX +AY +AZ CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 c. Khảo sát quá trình kết tinh Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch F trên giản đồ không gian và trên giản đồ hình chiếu phẳng. - Trên giản đồ không gian: Gồm các giai đoạn: • Nước bay hơi: điểm hệ chuyển dịch theo tia kết tinh, từ F F1. • Nước bay hơi, muối AX tách ra: điểm pha lỏng theo đường cong F1F2, từ F1  F2, điểm pha rắn theo cạnh WAX, từW R2. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 • Nước bay hơi, 2 muối AX và AY tách ra: điểm pha lỏng theo đường cong E1O, từ F2  O, điểm pha rắn (hỗn hợp 2 muối rắn AX và AY) chuyển vào tam giác WAXAY, theo đường cong R2R3, từ R2 R3. • Nước bay hơi, 3 muối AX, AY, AZ tách ra: điểm pha lỏng nằm nguyên tại O, điểm pha rắn (hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY, AZ) chuyển vào tứ diện, theo đường thẳng R3F, từ R3  F. Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và ta thu được hỗn hợp 3 muối rắnAX, AY và AZ. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13 - Trên giản đồ hình chiếu phẳng: • Nước bay hơi: điểm hệ nằm nguyên tại F’. • Nước bay hơi, muối AX tách ra: điểm pha lỏng từ F’ F2 ’, điểm pha rắn nằm nguyên tạiAX. • Nước bay hơi, 2 muối AX và AY tách ra: điểm pha lỏng từ F2 ’  O’, điểm pha rắn (hỗn hợp 2 muối rắn AX và AY) từAX R2 ’. • Nước bay hơi, 3 muối tách ra: pha lỏng nằm nguyên tại O’, điểm pha rắn (hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY, AZ) từ R2 ’  F2 ’. Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và ta thu được hỗn hợp 3 muối rắnAX, AY, AZ. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14 2.2. Trường hợp 1 muối kết tinh cả ở dạng khan và dạng hydrat Xét giản đồ hình chiếu phẳng của trường hợp này với giả sử muối AX kết tinh dưới 2 dạng AX và AX.nH2O. Từ giản đồ thấy nó có vài điểm khác so với trường hợp 2.1: • Điểm chuyển P: tương ứng với quá trình kết tinh vô biến không tương hợp là pha lỏng LP hòa tan AX.nH2O tách ra từ trước tạo thành 2 muối AY và AZ: LP+ AX.nH2O ⇌ AY +AZ . • Đường cong E4P: biểu diễn quá trình kết tinh nhất biến không tương hợp L +AX.nH2O ⇌AX. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15 Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch M: CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Tách muối AX.nH2O: điểm pha lỏng theo tia kết tinh AXM, từ M M1, điểm pha rắn nằm nguyên tạiAX. Hòa tan AX.nH2O, tách AX: điểm pha lỏng nằm nguyên tại M1, điểm pha rắn vẫn nằm nguyên tạiAX. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 16 Tách AX: điểm pha lỏng theo tia kết tinh AXM, từM1M2, điểm pha rắn vẫn nằm nguyên tạiAX. Tách AX và AZ: điểm pha lỏng theo đường cong E3O, từ M2 O, điểm pha rắn (hỗn hợp 2 muối rắn AX và AZ) theo cạnhAXAZ, từAXR. Tách AX, AY, AZ: điểm pha lỏng nằm nguyên tại O, điểm pha rắn (hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY, AZ) theo đường thẳng RO, từ R M. Quá trình kết tinh kết thúc tại đây và thu được hỗn hợp 3 muối rắnAX, AY và AZ. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 17 2.3. Trường hợp hệ tạo thành muối kép S (AX.AY) Muối kép tạo thành có thể hòa tan tương hợp (tương ứng giản đồ hình chiếu phẳng I) hay không tương hợp (tương ứng giản đồ hình chiếu phẳng II). I II CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 4 E M R AX S 1 R AX E 1 R 2 M P 1 AY S E 3 O AX 2 E AZ AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 18 Trường hợp muối kép tạo thành hòa tan tương hợp, khi nối S với AY sẽ tạo ra 2 giản đồ với các yếu tố hình học giống trường hợp các muối kết tinh dạng khan. Ở giản đồ (II) có thêm 2 yếu tố khác so với giản đồ (I): • Điểm chuyển P: tương ứng quá trình kết tinh vô biến không tương hợp là pha lỏng LP hòa tan AX tách ra từ trước để tạo thành S và AY: (LP+ AX ⇌ S +AY). • Đường cong E4P: tương ứng quá trình kết tinh nhất biến không tương hợp là pha lỏng L hòa tan AX tách ra từ trước để tạo thành S: (L+ AX ⇌ S). CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 19 Khảo sát quá trình kết tinh dung dịch M trên giản đồ (II) - Tách AX: điểm pha lỏng từMM1, điểm pha rắnAX. - Tách AX và AY: điểm pha lỏng từ M1  P, điểm pha rắn (hỗn hợp 2 muối rắnAX và AY) từAX R. - Hòa tan AX, tách AY và S: điểm pha lỏng nằm nguyên tại P, điểm pha rắn (hỗn hợp rắnAX, AY và S) từ R R1. - Tách S và AY: điểm pha lỏng từ P  O, điểm pha rắn (hỗn hợp rắn S và AY) theo đường nối SAY, từ R1 R2. - Tách đồng thời 3 muối S, AY và AZ: điểm pha lỏng nằm nguyên tại O, điểm pha rắn (hỗn hợp 3 muối rắn S, AY, AZ) theo R2O, từ R2  M. Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và thu được hỗn hợp 3 muối rắn S, AY, AZ. CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 20 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN KỸ THUẬT Cho dung dịch gồm 20 kg NaCl, 4 kg KCl, 8 kg MgCl2 và 200 kg H2O ở 25 oC. Xét quá trình kết tinh và tính toán lượng các muối tách ra trong quá trình bay hơi đẳng nhiệt dung dịch trên cho đến khi bắt đầu tách ra MgCl2. Cho biết dữ kiện tính tan của hệ NaCl – KCl –MgCl2 – H2O ở 25 oC: CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 21 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN