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

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

1. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 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 thơng số trạng thái là thành phần x, nhiệt độ to (áp suất khơng 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. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1
2. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC t o T Các dạng giản đồ A T W L L+ L+A nước đá C D E Nước đá + A H O(W) A 2 % Khối lượng A o t o t L+A.nH O TA 2 TA L L L+A L+A p M' L+nước đá G H L+nước đá H E 2 TW TW L+A.nH O 2 A+A.nH2 O L+ A.nH2 O C D C E D E 1 A+A.nH O 1 Nước đá + A.nH O 2 2 Nước đá + A.nH2 O H O(W) A.nH O A H O(W) A.nH2 O A 2 2 2 % Khối lượng A % Khối lượng A Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2
3. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC Các yếu tố hình học • Các điểm E, E1, E2 được gọi là các điểm cryohyđrat, xảy ra kết tinh vơ biến tương hợp: L ⇌ Muối + Nước đá • Điểm M tương ứng nhiệt độ nĩng chảy của hyđrat A.nH2O. M là điểm cực đại rõ, cho biết hyđrat bền, nĩng chảy khơng bị phân hủy. • Điểm M’ là điểm cực đại ẩn, cho biết hyđrat khơng bền, bị phân hủy ngay cả khi chưa đến nhiệt độ nĩng chảy. • Điểm P được gọi điểm chuyển, tương ứng quá trình kết tinh vơ biến khơng tương hợp: L + A ⇌ A.nH2O Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3
4. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 2. KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI NỒNG ĐỘ, NHIỆT ĐỘ DUNG DỊCH TRÊN GIẢN ĐỒ VÀ TÍNH TỐN 2.1. Khảo sát các quá trình biến đổi nồng độ và nhiệt độ a. Hịa tan muối rắn ở nhiệt độ khơng đổi: Thêm dần muối rắn vào dung dịch M chưa bảo hịa. Điểm hệ thu được chuyển dịch từ M M1: muối tan; M1 M2: muối khơng tan, nằm cân bằng với dung dịch M1 cĩ nồng độ bảo hịa khơng thay đổi là x2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4
5. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC b. Pha lỗng ở nhiệt độ khơng đổi: o Thêm nước vào hỗn t TA L M1 hợp N. Điểm hệ thu M M N N 2 được chuyển dịch từ N 2 O' N TW 1 N1: muối rắn tan, L+ O1 O L+A nồng độ dung dịch nước đá khơng đổi là x4; N1 C E D N2: dung dịch bị pha Nước đá + A W x x x x x x A lỗng dần. 1 6 5 4 2 3 %A Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5
6. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC c. Đun nĩng hệ muối – nước: Đun nĩng hệ O. Điểm hệ chuyển dịch từ O O’: muối rắn tan, nồng độ dung dịch bảo hịa tăng nên điểm biểu diễn của dung dịch chuyển dịch từ O1 đến O’; từ O’ trở đi khi tiếp tục đun nĩng dung dịch trở thành khơng bảo hịa và lỗng dần. d. Làm lạnh dung dịch: Đây là quá trình kết tinh, nĩ xảy ra ngược lại với đun nĩng. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6
7. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC e. Bay hơi ở nhiệt độ khơng đổi: Khảo sát quá trình cơ đẳng o TA nhiệt hệ M cho đến thành hệ t L o M2 ở nhiệt độ t . Từ M M1: N M M 1 M 2 M3 nước bay hơi, nồng độ dung TW dịch tăng dần, đến M1 dung L+ L+A nước đá dịch trở thành bảo hịa. Từ M C D 1 E M : nước bay hơi, muối rắn Nước đá + A 2 A W x x A tách ra, nồng độ dung dịch 1 2 %A vẫn giữ nguyên là x2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7
8. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 2.2. Ví dụ tính tốn 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 hịa hyđrat FeCl3.6H2O và FeCl3.2,5H2O. - Hịa tan hồn tồn FeCl3.6H2O tạo thành dung dịch. 3) Làm lạnh dung dịch M đã cho nĩi trên xuống 0oC. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8
9. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC E t o 2 50 40 F (73,4) (46) M (55) b d (64) e W 1 c F f 30 a 1 E E 1 20 2 a 2 1 2 10 3 3 3 a FeCl .6H O 2 FeCl .2.5H O 0 (42) g F FeCl .3.5H O a -10 (60) H (72) H1 (78,8) H2 40 M' 50 60 70 80 %FeCl (W)H O 3 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9
10. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 3. TÍNH TỐN 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 tốn: 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. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10
11. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 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 hịa ở 60oC. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11
12. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 3.2. Phương pháp cấu tử khơng đổi • Nồng độ biểu diễn bình thường. • Cách tính tốn: 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 khơng 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. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12
13. CHƯƠNG 3 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN CỦA CÁC HỆ BẬC 2 MUỐI NƯỚC 3.3. Phương pháp thành lập cân bằng vật liệu • Nồng độ biểu diễn bình thường. • Cách tính tốn: 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 cĩ mặt hyđrat thì thiết lập thêm phương trình bổ sung dựa trên các cơng thức muối khan và hyđrat. o o Ví dụ: Làm lạnh 1000kg dung dịch N1 từ 87 C xuống 0 C. Xác định những muối kết tinh và khối lượng chúng tách ra. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13