Bài giảng Giản đồ pha: Chương 7 - Nguyễn Văn Hòa

Bài giảng Giản đồ pha - Chương 7: Giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 4 muối – nước đơn giản cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm về giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 4 muối – nước đơn giản, giản đồ độ tan đẳng nhiệt của hệ bậc 4 muối – nước tạo thành hỗn hợp eptonic,... Mời các bạn cùng tham khảo.

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 địnhtrạng thái cân bằng của hệ là t0 và 3 nồng độ của 3 muối.Thực tế, nghiên cứu hệ ở t

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 mặtđáy và biểu diễn thành phần các muối, các bề mặt kháccủa tứ diện biểu diễn các hệ bậc 3 muối – nước, các cạnh

tứ diện biểu diễn các hệ bậc 2 muối – nước

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

- 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 O2

2

H O 2

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 hợpđược biểu diễn bằng phản ứng: L ⇌ AX + AY + AZ

F' AX

F'2

E'3E'1

E'2

AZ

AY

Đường cong kết tinh bậc 2

(E 1 O, E 2 O, E 3 O): 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

(LE 1 OE 3 L, ME 2 OE 1 M,

NE 3 OE 2 N): biểu diễn các

dung dịch bảo hòa 1 muối,

tương ứng quá trình kết tinh

nhị biến của 1 muối

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 1muối và những tinh thể của muối đó), 3 thể tích 3 pha (dungdịch 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 muốiđó)

b Hình chiếu tâm trên mặt đáy của giản đồ độ tan đẳng nhiệt không gian:

Nguyên tắc phương pháp chiếu tâm:

• 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 Từđây: tất cả các điểm nằm trên cạnh tứ diện, ví dụ cạnhWAZ, sẽ có hình chiếu là điểm AZ; tất cả các điểm nằmtrong mặt tứ diện, ví dụ mặt WAXAZ, sẽ có hình chiếunằm trên cạnh AXAZ…

• 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

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 ápdụng quy tắc đòn bẩy để tính toán quá trình kết tinh đẳngnhiệt

• Các đường cong kết tinh bậc 2 (E1’O’; E2’O’; E3’O’):

Tương ứng quá trình kết tinh đồng thời của 2 muối từdung dịch

• Các điểm eptonic của các hệ muối – nước bậc 3 (E1’; E2’;

E3’): Tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp củacác 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

c Khảo sát quá trình kết tinh

Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch F trên giản đồ khônggian 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

• 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 hỗnhợp 3 muối rắn AX, AY và AZ

- 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 tại AX

• 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 vàAY) từ AX  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’

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 sửmuối AX kết tinh dưới 2 dạng AX và AX.nH2O Từ giản đồthấy 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 E 4 P: biểu diễn quá trình kết tinh nhất biến

không tương hợp L + AX.nH O ⇌ AX

Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch M:

Tách muối AX.nH 2 O: điểm

pha lỏng theo tia kết tinh

AXM, từ M M1, điểm pha

rắn nằm nguyên tại AX

Hòa tan AX.nH 2 O, tách AX:

điểm pha lỏng nằm nguyên

tại M1, điểm pha rắn vẫn

nằm nguyên tại AX

Tách AX: điểm pha lỏng theo tia kết tinh AXM, từ M1 M2,điểm pha rắn vẫn nằm nguyên tại AX.

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) theocạnh AXAZ, từ AX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 thuđược hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY và AZ

2.3 Trường hợp hệ tạo thành muối kép S (AX.AY)

Muối kép tạo thành có thể hòa tan tương hợp (tương ứnggiản đồ hình chiếu phẳng I) hay không tương hợp (tương ứnggiản đồ hình chiếu phẳng II)

4 E

Trường hợp muối kép tạo thành hòa tan tương hợp, khi nối Svới AY sẽ tạo ra 2 giản đồ với các yếu tố hình học giốngtrường 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 từtrước để tạo thành S và AY: (LP+ AX ⇌ S + AY)

• Đường cong E 4 P: tương ứng quá trình kết tinh nhất biến

không tương hợp là pha lỏng L hòa tan AX tách ra từtrước để tạo thành S: (L + AX ⇌ S)

Khảo sát quá trình kết tinh dung dịch M trên giản đồ (II)

- Tách AX: điểm pha lỏng từ M  M1, điểm pha rắn AX

- Tách AX và AY: điểm pha lỏng từ M1  P, điểm pha rắn

(hỗn hợp 2 muối rắn AX và AY) từ AX  R

- Hòa tan AX, tách AY và S: điểm pha lỏng nằm nguyên tại

P, điểm pha rắn (hỗn hợp rắn AX, 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,



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 25oC Xét quá trình kết tinh và tính toán lượngcác muối tách ra trong quá trình bay hơi đẳng nhiệt dungdịch trên cho đến khi bắt đầu tách ra MgCl2 Cho biết dữkiện tính tan của hệ NaCl – KCl – MgCl2 – H2O ở 25oC: