›
›

Bài giảng Giản đồ pha - Chương 2: Giản đồ nóng chảy của các hệ bậc 2 ngưng kết - Nguyễn Văn Hòa

pdf 37 trang ngocly 600
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Giản đồ pha - Chương 2: Giản đồ nóng chảy của các hệ bậc 2 ngưng kết - Nguyễn Văn Hòa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_gian_do_pha_chuong_2_gian_do_nong_chay_cua_cac_he.pdf

Nội dung text: Bài giảng Giản đồ pha - Chương 2: Giản đồ nóng chảy của các hệ bậc 2 ngưng kết - Nguyễn Văn Hòa

  1. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT CĨ CHỨA PHA RẮN VÀ GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY 1.1. Khái niệm chung về các hệ bậc 2  Hệ bậc 2 là những hệ gồm 2 cấu tử. Bao gồm: hệ lỏng – lỏng; hệ rắn–hơi; hệ rắn–lỏng; hệ rắn–rắn; hệ lỏng–hơi.  Biểu thức quy tắc pha cĩ dạng: T = 2 – P + 2 = 4 – P  Thành phần của các hệ bậc 2 được biểu diễn: lượng cấu tử này đối với lượng nhất định cấu tử kia. Ví dụ: g/100g; số mol/1000mol hoặc % khối lượng, % mol (nguyên tử, phân tử) Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1
  2. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 1.2. Khái niệm về các hệ bậc 2 ngưng kết cĩ chứa pha rắn và giản đồ nĩng chảy  Là những hệ trong đĩ các quá trình hĩa học thường xảy ra ở những điều kiện áp suất thực tế khơng thay đổi (thường ở áp suất khí quyển).  Tính chất vật lý được sử dụng: nhiệt độ nĩng chảy.  Thơng số trạng thái: thành phần của 1 trong 2 cấu tử và nhiệt độ.  Giản đồ trạng thái như vậy được gọi là giản đồ nĩng chảy và được biểu diễn trên tọa độ mặt phẳng. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2
  3. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT  Quy tắc pha trong trường hợp này cĩ dạng: T = 2 – P + 1 = 3 – P Khi Tmin = 0 thì Pmax = 3; Khi Pmin = 1 thì Tmax = 2 1.3. Phương pháp biểu diễn và xây dựng giản đồ nĩng chảy của hệ bậc 2 a. Phương pháp biểu diễn  Biểu diễn trên hệ tọa độ mặt phẳng, trong đĩ: • Trục hồnh biểu diễn thành phần hỗn hợp (trục thành phần) • Trục tung biểu diễn nhiệt độ (trục nhiệt độ) Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3
  4. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT t o TA T B P T P A B 20 40 60 80 100 % Khối lượng B % Khối lượng A Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4
  5. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT b. Phương pháp thực nghiệm xây dựng giản đồ nĩng chảy  Phương pháp chính để xây dựng giản đồ nĩng chảy là phân tích nhiệt. Cơ sở của phương pháp: - Xây dựng các đường cong nguội và nĩng chảy các hỗn hợp của hệ khảo sát. - Từ những số liệu thu được xây trên các đường cong này xây dựng giản đồ nĩng chảy của hệ khảo sát. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5
  6. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT t o L L L L+R L+R L+R1 L+R 1+R2 R + R R R 1 2 (1) (2) (3) Thời gian  Đường cong nguội (1) – chất nguyên chất; (2) – dung dịch rắn liên tục; (3) – hỗn hợp cơ học gồm 2 cấu tử. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6
  7. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT t o L 1 L+A L L L L TA 2 5 3 L+A L+A L+B A 4 C L+A+B L+A+B C E L+A+B L+A +B A+B A+B A+B A+B 1 2 3 4 5 A x x x x x B 1 2 3 4 5  Ngồi phương pháp phân tích nhiệt người ta cịn dùng thêm các phương pháp vi cấu trúc và phân tích cấu trúc bằng tia X kết hợp khảo sát để tăng độ chính xác trong xây dựng giản đồ nĩng chảy. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7
  8. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 1.4. Quy tắc địn bẩy t o Khi trộn lẫn m phần khối lượng M P N của hỗn hợp cĩ thành phần biểu diễn bằng điểm M với n phần khối lượng của hỗn hợp cĩ thành phần biểu diễn bằng điểm N thì thành phần của hỗn hợp tổng cộng sẽ được biểu diễn bằng điểm P chia đoạn thẳng MN theo tỉ lệ như sau: A x x x B M P N %B Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8
  9. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Từ quy tắc địn bẩy rút ra:  Khi từ hệ tồn phần tách ra thành 2 hệ riêng phần nằm cân bằng với nhau ở nhiệt độ nhất định thì các điểm biểu diễn hệ tồn phần và 2 hệ riêng phần phải nằm trên 1 đường thẳng, trong đĩ điểm biểu diễn hệ tồn phần phải nằm giữa 2 điểm biểu diễn hệ riêng phần và chia đường thẳng đĩ thành 2 phần theo tỉ lệ nhất định.  Để xác định tỉ lệ khối lượng hoặc khối lượng tuyệt đối của các pha tạo thành cần đo chiều dài các đoạn thẳng phân chia đã nĩi rồi dùng quy tắc địn bẩy tính tốn. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9
  10. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 1.5. Các loại hệ bậc 2 ngưng kết (cĩ chứa pha rắn)  Hệ tạo thành dung dịch rắn liên tục (loại I)  Hệ tạo thành hỗn hợp ơtecti đơn giản (loại II)  Hệ tạo thành hợp chất hĩa học (loại III):  Hệ tạo thành dung dịch rắn khơng liên tục (loại IV)  Hệ phân lớp (loại V) Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10
  11. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 2. GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH DUNG DỊCH RẮN LIÊN TỤC 2.1. Khái niệm về dung dịch rắn  Dung dịch rắn là chất tinh thể cĩ mạng tinh thể cấu tạo từ 2 hay nhiều chất do các tiểu phân chất tan xâm nhập vào mạng tinh thể dung mơi tạo thành một pha tinh thể đồng nhất cĩ thành phần thay đổi.  Cĩ 2 loại dung dịch rắn chính: xen kẻ (a) - là loại dung dịch rắn khơng liên tục và thay thế (b) - cĩ thể là dung dịch rắn liên tục hoặc khơng liên tục. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11
  12. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT (a) – xen kẽ (b) – thay thế Điều kiện tạo thành dung dịch rắn: các cấu tử phải gần nhau về tính chất hĩa học, kích thước và kiểu mạng tinh thể. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12
  13. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 2.2. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học a. Dạng giản đồ b. Các yếu tố hình học: Đường cong; Vùng pha o t M M x TB L L 1 T1 1 2'' 2 1' L+ T2 2' 3' T3 3 3 L+ s TA A x x x x x B  3' 2'' M 2' 1' (a) (b) Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13
  14. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Các kiểu giản đồ: Ví dụ: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14
  15. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT c. Khảo sát quá trình kết tinh Xét quá trình kết tinh khi làm lạnh hỗn hợp lỏng M: • Hệ từ M 1 • Hệ từ 1 3 • Hệ từ 3 xM d. Tính lượng các pha tạo thành trong quá trình kết tinh dung dịch rắn Ví dụ: Tính lượng pha lỏng L và rắn tạo thành ở nhiệt độ 13000C của 100 kg hỗn hợp chứa 53% Ni. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15
  16. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 16
  17. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 3. GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH HỖN HỢP ƠTECTI ĐƠN GIẢN 3.1. Dạng giản đồ t o M N Q T L A L L 1 1 1' L TB 2 2'' 2' 4 4' L+A 4 L+B L+A L+B L+A+B L+A+B L+A+B C D 3 3 E 5 5 A+B A+B A+B x A x 1 N x Q B  Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 17
  18. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 3.2. Các yếu tố hình học Giản đồ cĩ 3 loại yếu tố hình học: điểm, đường và vùng.  Điểm E: được gọi là điểm ơtecti, nĩ là yếu tố điểm duy nhất với nhiệt độ bắt đầu kết tinh thấp nhất của hệ, gọi nĩ là nhiệt độ ơtecti.  Đường: gồm cĩ đường cong lỏng TAETB và đường thẳng rắn nằm ngang CED.  Vùng: cĩ 4 vùng pha. Vùng nằm trên đường cong lỏng là vùng 1 pha lỏng L. Vùng nằm dưới đường thẳng rắn là vùng 2 pha rắn A và B. Hai vùng nằm giữa các đường lỏng và rắn là những vùng 2 pha, gồm 1 lỏng và 1 rắn: vùng TACE tương ứng L+A, vùng TBDE tương ứng L+B Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 18
  19. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 3.3. Khảo sát quá trình kết tinh a. Hỗn hợp M: b. Hỗn hợp N: c. Hỗn hợp Q:  Hệ từ M 1  Hệ chuyển từ  Hệ từ Q 4  Hệ từ 1 3 N E  Hệ từ 4 5  Hệ tại điểm E  Hệ tại điểm E  Hệ tại điểm E  Hệ chuyển từ  Hệ từ 3 xM  Hệ từ 6 xQ E xN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 19
  20. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 3.4. Tính tốn lượng các pha tạo thành trong quá trình kết tinh Ví dụ: Tính tốn khối lượng các pha tạo thành trong quá trình kết tinh 100 kg hỗn hợp M của hệ bậc 2 KCl – LiCl.  Tính khối lượng KCl kết tinh từ pha lỏng ở nhiệt độ 5000C  Tính khối lượng KCl thu được vào cuối quá trình kết tinh KCl  Tính khối lượng rắn ơtecti thu được vào cuối quá trình kết tinh ơtecti Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 20
  21. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 21
  22. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 4. GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH HỢP CHẤT HĨA HỌC 4.1. Giản đồ nĩng chảy hệ tạo thành hợp chất tương hợp a. Dạng giản đồ Các cấu tử A và B hịa tan hồn tồn vào nhau khi nĩng chảy, khi kết tinh từ pha lỏng chúng tương tác với nhau tạo thành hợp chất AmBn nĩng chảy khơng bị phân hủy. Hợp chất này lại đĩng vai trị 1 cấu tử và tạo với A, B các hỗn hợp ơtecti. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 22
  23. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT b. Các yếu tố hình học  Điểm o t T B  Đường L M L+ T  Vùng A F Am Bn L+B G L L+ A B E C +A m n D 2 E 1 A+A B m n B+A m B n A B A m Bn % Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 23
  24. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 4.2. Giản đồ nĩng chảy hệ tạo thành hợp chất khơng tương hợp a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học Hợp chất hĩa học AmBn tạo thành bị phân hủy khi nĩng chảy. o N T t B N X L L , L+B , 1 M 1 1 L+ B TA 2 P L+B+A m Bn 2 M Q L+A m Bn L+A L+A B m n 3 L+A+A B C E 3 D m n A+A m Bn A+Am Bn B+Am Bn A m Bn x x x A E P N xM B  % B Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 24
  25. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Điểm cực đại ẩn M’ Điểm P Đường thẳng nằm ngang peritecti PMQ b. Khảo sát quá trình kết tinh hỗn hợp N  Hệ từ N 1  Hệ từ 1 2  Hệ xảy ra tại P  Hệ từ 2 3  Hệ xảy ra tại E Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 25
  26. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT c. Tính tốn lượng các pha tạo thành Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 26
  27. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 5. GIẢN ĐỒ HỆ TẠO THÀNH DUNG DỊCH RẮN KHƠNG LIÊN TỤC Khi nĩng chảy các cấu tử A và B hịa tan tạo thành 1 dung dịch lỏng, cịn khi kết tinh chúng hịa tan hạn chế vào nhau tạo thành vài dãy dung dịch rắn. 5.1. Trường hợp tạo thành ơtecti a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học  Điểm ơtecti E  Đường cong Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 27
  28. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT  Vùng pha Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 28
  29. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT b. Khảo sát quá trình kết tinh Hỗn hợp M: Hỗn hợp N:  Hệ từ M 1  Hệ từ N 5  Hệ từ 1 2  Hệ từ 5 6  Hệ từ 2 3  Hệ nằm nguyên tại 6  Hệ từ 3 xM  Hệ từ 6 xN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 29
  30. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT c. Tính tốn lượng các pha tạo thành của hệ N tại B, riêng E và C Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 30
  31. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 5.2. Trường hợp tạo thành peritecti a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học o t N M N M T X X A L 1" 1 L 1 L L+ L+ 3" 3 3 2 4 P 2 4 L+ C D L+ + L+ + L+ 5 5' 5  L+    T B x x x x x F C M D G N P  Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 31
  32. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Điểm peritecti P (hay điểm chuyển P) b. Khảo sát quá trình kết tinh Hỗn hợp M: Hỗn hợp N:  Hệ từ M 1  Hệ từ N 3  Hệ nằm nguyên tại 2  Hệ từ 3 4  Hệ từ 2 xM  Hệ nằm nguyên tại 4  Hệ từ 4 5 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 32
  33. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 33
  34. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 6. GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY HỆ PHÂN LỚP (Ở TRẠNG THÁI LỎNG) Các cấu tử hịa tan hạn chế vào nhau khi nĩng chảy. Khi kết tinh, pha rắn tách ra cĩ thể là cấu tử nguyên chất, hợp chất hĩa học hoặc dung dịch rắn. 6.1. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học Đường cong lưỡng phân FKG (đường bảo hịa giới hạn) Điểm K trên đường cong này được gọi là điểm tới hạn và nhiệt độ tương ứng điểm K được gọi là nhiệt độ tới hạn. Đường thẳng nằm ngang monotecti FGH Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 34
  35. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 35
  36. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT 6.2. Khảo sát quá trình kết tinh hỗn hợp M:  Hệ từ M 1  Hệ từ 1 3  Hệ tại 3  Hệ từ 3 4  Hệ tại 4  Hệ từ 4 xM Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 36
  37. CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NĨNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT  Hình trang 34 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 37