Bài giảng Giản đồ pha - Chương 1: Mở đầu - Nguyễn Văn Hòa

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 1. KHÁI NIỆM VỀ LÝ THUYẾT GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG PHA (giản đồ pha)  Phương pháp truyền thống cổ điển nghiên cứu các tương tác hóa học là phương pháp chế luyện.  Phương pháp nghiên cứu mới là phương pháp giản đồ pha – là phương pháp phân tích hình học các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa các tính chất  (vật lý, hóa học, cơ học) và những thông số xác định trạng thái cân bằng của hệ như thành phần x, nhiệt độ t, áp suất p, năng lượng E Tức là khảo sát hàm số f(, x, t, p, E ) = 0. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA GIẢN ĐỒ PHA 2.1. Các khái niệm a. Hệ (vật chất)  Hệ là tập hợp của 1 hay nhiều chất có thành phần, nhiệt độ, áp suất nhất định.  Hệ vật lý là hệ không có tương tác hóa học xảy ra, còn hệ hóa học có tương tác hóa học xảy ra. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU b. Cấu tử  Cấu tử là những chất riêng biệt tối thiểu cần thiết để tạo thành hệ. Ví dụ: Hệ nước đá – nước lỏng – hơi nước chỉ có 1 cấu tử là nước; hệ dung dịch muối ăn trong nước có 2 cấu tử là NaCl và nước.  Những hệ có tương tác hóa học xảy ra thì số cấu tử bằng số chất riêng biệt trừ đi số phản ứng xảy ra giữa chúng. Ví dụ: Hệ gồm CaCO3, CaO và CO2 có xảy ra phản ứng: CaCO3 = CaO + CO2 nên số cấu tử bằng 3 – 1 = 2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU c. Pha  Pha là tập hợp tất cả những phần đồng nhất của hệ về thành phần, cấu tạo, tính chất và được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia. Ví dụ: hệ 1 cấu tử nước đá – nước lỏng – hơi nước có 3 pha; hệ gồm có cát và sỏi có 2 pha.  Hợp chất hóa học là pha có thành phần cố định, còn dung dịch là pha có thành phần thay đổi. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU d. Trạng thái cân bằng  Trạng thái cân bằng là trạng thái không thay đổi theo thời gian. Ở trạng thái này thành phần, nhiệt độ, áp suất không những không thay đổi mà còn phải giống nhau ở mọi điểm của hệ.  Theo khái niệm này: hệ là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng, hệ đồng thể có 1 pha, hệ dị thể có nhiều pha. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU e. Thông số trạng thái  Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý xác định trạng thái của hệ. Ví dụ: thành phần, nhiệt độ, áp suất, năng lượng Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU f. Số bậc tự do hay biến độ  Số bậc tự do là số thông số trạng thái của hệ cân bằng có thể tự do thay đổi mà không làm thay đổi số pha và bản chất các pha của hệ. Ví dụ: hệ gồm hơi nước có số bậc tự do là 2 (nhiệt độ và áp suất), hệ gồm hơi nước và nước lỏng có 1 bậc tự do (nhiệt độ hoặc áp suất), còn hệ gồm nơi nước, nước lỏng và nước đá không có bậc tự do nào cả (nghĩa là có nhiệt độ và áp suất hoàn toàn xác định). Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU g. Phân loại hệ Các hệ có thể được phân loại theo cấu tử, pha hay biến độ.  Theo cấu tử hệ được phân thành: hệ 1 cấu tử (hệ bậc 1), hệ 2 cấu tử (hệ bậc 2)  Theo pha hệ được phân thành: hệ 1 pha, hệ 2 pha  Theo biến độ hệ được phân thành: hệ vô biến (có số bậc tự do bằng không), hệ nhất biến (có số bậc tự do bằng 1), hệ nhị biến (có số bậc tự do bằng 2) Ví dụ: hệ hơi nước – nước lỏng là hệ bậc 1, hệ 2 pha và hệ nhất biến; dd muối ăn là hệ bậc 2, hệ 1 pha và hệ nhị biến. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 2.2. Quy tắc pha  Nếu gọi số cấu tử là C, số pha là P và số bậc tự do là T thì quy tắc pha thường được biểu diễn bằng biểu thức toán học sau: T = C – P + 2 Số bậc tự do của hệ cân bằng, mà chỉ chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngoài là nhiệt độ và áp suất, bằng số cấu tử trừ số pha cộng 2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU  Nếu số thông số bên ngoài thay đổi thì biểu thức quy tắc pha thay đổi. Ví dụ: Đối với hệ ngưng kết người ta xem áp suất là hằng số nên biểu thức quy tắc pha có dạng: T = C – P + 1 Đối với hệ bậc 1 chỉ chứa 1 cấu tử là nước thì quy tắc pha áp dụng vào hệ này có dạng: T = 3 – P Đối với hệ bậc 1 ngưng kết có chứa 1 pha rắn, quy tắc pha được biểu diễn: T = 2 – P Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 2.3. Nguyên tắc liên tục và tương ứng a. Nguyên tắc liên tục Khi các thông số xác định trạng thái của hệ thay đổi liên tục thì tính chất của các pha riêng biệt thay đổi liên tục và tính chất của toàn hệ cũng thay đổi liên tục nếu không có pha mới xuất hiện hoặc pha cũ mất đi. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU b. Nguyên tắc tương ứng Mỗi tập hợp pha nằm cân bằng với nhau trong hệ đã cho tương ứng với 1 dạng hình học nhất định trên giản đồ pha. Ví dụ: Xét giản đồ nóng chảy của hệ bậc 2 kiểu ơtecti. o Giản đồ này có các yếu tố hình học: t T • Điểm: ơtecti E A L T B • Đường: TAE, TBE, CED L+A L+B C D E • Vùng: vùng trên TAETB, vùng A+ B TACE; vùng TBDE; vùng dưới x A E B CED % Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ PHA  Đó là các phương pháp đo các tính chất vật lý của hệ cân bằng.  Để xây dựng giản đồ pha được chính xác người ta thường dùng nhiều phương pháp cùng một lúc. Tùy thuộc vào bản chất hệ nghiên cứu mà sử dụng các phương pháp thích hợp. Ví dụ: đối với các hệ ngưng kết có chứa pha rắn có thể dùng các phương pháp: đo các tính chất nhiệt, đo tính chất điện, xác định cấu trúc, đo độ cứng, đo khối lượng riêng Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13