Bài giảng Giản đồ pha - Chương 5: Giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 3 muối nước - Nguyễn Văn Hòa

CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 1. GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI - NƯỚC CÓ ION CHUNG • Hệ bậc 3 muối – nước có ion chung là hệ gồm 2 muối có ion chung và nước: AX – AY – H2O. • Hệ được nghiên cứu ở P = cons nên Tmax = 3, tương ứng với 3 thông số xác định trạng thái cân bằng là t0 và 2 nồng độ của 2 muối. Từ đây giản đồ độ tan đa nhiệt phải có dạng không gian 3 chiều. Đó là lăng trụ 3 mặt, thành phần hệ được biểu diễn trên tam giác phẳng đáy và nhiệt độ được biểu diễn trên các trục thẳng góc với mặt đáy. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC • Giản đồ đa nhiệt không gian cho phép tính toán các quá trình xảy ra khi thay đổi nhiệt độ. • Giản đồ độ tan đẳng nhiệt và cho phép tiến hành các tính toán nhiều quá trình khác nhau ở nhiệt độ khảo sát. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC • Khi biểu diễn thành phần theo % (khối lượng, mol) hay phần đơn vị thì có thể biểu diễn giản đồ ở dạng tam giác đều (phương pháp Ghipxơ – Rôzêbom) hay tam giác vuông (phương pháp Xcơrâynơmake) mà được gọi là tam giác thành phần hay tam giác nồng độ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC • Khi biểu diễn thành phần theo gam muối đối với 100 hoặc 1000g H2O, hay theo mol muối đối với 100 hoặc 1000 mol H2O, thì dùng tọa độ vuông góc để biểu diễn giản đồ độ tan đẳng nhiệt (phương pháp Xcơrâynơmake). Theo phương pháp này chỉ có thể áp dụng quy tắc đòn bẩy để tính lượng nước bay hơi khi cô đẳng nhiệt dung dịch hay để tính toán đối với quá trình hòa tan, kết tinh muối hydrat. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 1.1. Giản đồ độ tan đẳng nhiệt hệ tạo thành hỗn hợp eptonic a. Trường hợp 2 muối kết tinh dạng khan:  Các yếu tố hình học: Đường cong độ tan: nhánh aE biểu diễn độ tan của AX (trong sự có mặt của AY), nhánh bE biểu diễn độ tan của AY (trong sự có mặt của AX) ở nhiệt độ khảo sát. Điểm vô biến tương hợp eptonic: E, tại đây xảy ra sự kết tinh đồng thời 2 muối AX, AY từ dung dịch: LE ⇌ AX + AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Vùng pha: (1) – vùng 1 pha lỏng; (2) và (3) – vùng 2 pha lỏng + rắn; (5) – vùng 3 pha lỏng + rắn AX + rắn AY  Xét quá trình kết tinh bằng cách bay hơi (cô) đẳng nhiệt dung dịch M: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC b. Trường hợp 1 trong 2 muối kết tinh dạng hyđrat: Giản đồ độ tan đẳng nhiệt có 2 dạng: dạng (I) - muối khan không có nhánh đường cong độ tan trên giản đồ và dạng (II) - muối khan có nhánh đường cong độ tan.  Các yếu tố hình học: Đường cong độ tan: nhánh độ tan EP của muối AY. Điểm vô biến: ngoài điểm vô biến eptonic E tương ứng cân bằng LE ⇌ AX + AY, trên giản đồ (II) có điểm mới P (điểm chuyển), tại đây xảy ra quá trình kết tinh vô biến không tương hợp tương ứng cân bằng LP + H (AY.nH2O) ⇌ AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Vùng pha: (1) – vùng 1 pha dung dịch chưa bảo hòa; (2), (3), (4) - vùng 2 pha: dung dịch bảo hòa 1 muối và tinh thể muối rắn đó; (5), (6) - vùng 3 pha: dung dịch bảo hòa 2 muối và tinh thể 2 muối rắn đó; (7) - vùng 3 pha rắn (tinh thể 3 muối rắn). AX I II 2 a 5 7 1 3 W(H O) b H(AY.nH O) AY 2 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC • Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch N: AX a 2 5 E 1 Ns 3 N P N6 8 N4 R N N N5 N7 7 1 N x N2 3 6 R3 W(H O) b H(AY.nH O) AY 2 4 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 1.2. Giản đồ độ tan đẳng nhiệt hệ tạo thành muối kép Muối kép tạo thành là khan (AX.AY) hòa tan tương hợp (I) hay không tương hợp (II) hoặc là hyđrat (AX.AY.nH2O) hòa tan tương hợp (III) hay không tương hợp (IV).  Các yếu tố hình học: (1) - vùng 1 pha: dung dịch chưa bảo hòa; (2) - vùng 2 pha: dung dịch bảo hòa 1 muối và tinh thể muối rắn đó; (3) - vùng 3 pha: dung dịch bảo hòa 2 muối và tinh thể 2 muối rắn đó; (4) - vùng 3 pha rắn: tinh thể 2 muối đơn và muối kép. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC AX AX S(AX.AY) I I 2 3 a a S(AX.AY) O E1 1 E1 2 o 3 E2 E 2 2 W(H O) b W(H O) b 2 AY 2 AX AX II II 3 a 2 a E E S 2 S (AX.AY) 1 P p (AX.AY) 3 2 AY W(H O) b W(H O) b 2 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC AX III III 4 a 2 3 S E 2 x (AX.AY.nH2 O) 1 1 M o 1 3 E 2 x M 2 W(H O) b AY 2 AX AX IV IV a 3 2 a 4 K E E 2 S 1 P S (AX.AY.nH O) (AX.AY.nH O) I 2 p 2 x M 3 M 2 x M 1 2 AY W(H O) b AY W(H O) b 2 2 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Đường cong độ tan: aE1, bE2 (bP) là của muối đơn; E1E2(E1P) là của muối kép (S). Điểm: E1, E2 là điểm eptonic, tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp: LE1 ⇌ AX + S và LE2 ⇌ S + AY P là điểm chuyển, tương ứng quá trình kết tinh vô biến không tương hợp: LP + AY ⇌ S O là giao điểm của E1E2 với tia WS. Dung dịch O có tỉ lệ thành phần 2 muối AX và AY ứng đúng tỉ lệ thành phần 2 muối đó trong muối kép. Tia WS chia giản đồ thành 2 giản đồ đơn giản thứ cấp. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC • Xét quá trình hòa tan muối kép S vào trong nước để được dung dịch có điểm hệ tại M, sau đó thực hiện quá trình bay hơi đẳng nhiệt dung dịch M trong 2 trường hợp hình III và IV. • Xét quá trình hòa tan hỗn hợp 2 muối AX và AY có điểm hệ tại K (hình IV) vào trong nước cho đến khi được dung dịch tại I, sau đó cô đẳng nhiệt dung dịch I cho đến khi được muối kép S tinh khiết cực đại. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC  Khảo sát quá trình cô đẳng nhiệt trên giản đồ vuông góc: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 1.3. Giản đồ độ tan đẳng nhiệt hệ tạo thành dung dịch rắn a. Trường hợp taọ thành dung dịch rắn liên tục: AX, AY khi kết tinh tạo thành một dãy dung dịch rắn liên tục (). Trên giản đồ đường cong ab biểu diễn thành phần các dung dịch bảo hòa dung dịch rắn . Thành phần các dung dịch rắn  tương ứng các dung dịch bảo hòa này nằm trên cạnh AXAY. Vùng WabW là vùng 1 pha, tương ứng dung dịch chưa bảo hòa, vùng abAYAXa là vùng 2 pha, tương ứng dung dịch bảo hòa  và các tinh thể  nằm cân bằng. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 16 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch M: Từ M  M1: bay hơi nước. W(H O) 2 Từ M1  M3: bay hơi nước, tách dung dịch rắn . Điểm pha M x lỏng từ M1  L3, điểm pha rắn a M 1 L L từ R1  M3. Ví dụ ở M2: dung 2 3 b dịch lỏng ở L , dung dịch rắn ở M 2 2 R2. Khi điểm pha lỏng đến L3, điểm hệ và dung dịch rắn đến M3 R R M thì quá trình kết tinh kết thúc. AX 1 2 3 AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 17 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC b. Trường hợp tạo thành dung dịch rắn hạn chế: Các muối AX.nH2O và AY khi kết tinh tạo nên 2 dãy dung W(H O) dịch rắn  và . 2 • Các yếu tố hình học x Nhánh aE biểu diễn thành M b phần các dung dịch bảo hòa a P E M1 muối AX.nH2O, nhánh EP L M 2 (AX.nH2 O)  tương ứng các dung dịch bảo  H M 3 hòa , nhánh Pb tương ứng Q R1 M4 R các dung dịch bảo hòa . AX M5 AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 18 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Điểm eptonic E tương ứng dụng dịch bảo hòa đồng thời,  và AX.nH2O nghĩa là tại E sẽ xảy ra quá trình kết tinh vô biến tương hợp LE ⇌  + AX.nH2O. Điểm chuyển P tương ứng dung dịch bảo hòa đồng thời  (có thành phần là Q) và  (có thành phần là R). Tại P xảy ra quá trình kết tinh vô biến không tương hợp: LP + Q ⇌ R. • Xét quá trình bay hơi đẳng nhiệt dung dịch M: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 19 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 2. VÍ DỤ TÍNH TOÁN DỰA TRÊN GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT HỆ BẬC 3 MUỐI – NƯỚC 2.1. Ví dụ 1: Trộn nước ót (nước biển sau khi tách NaCl, chứa nhiều MgCl2) vào nước biển gần bảo hòa NaCl để kết tinh NaCl. Hãy dựa trên giản đồ độ tan đẳng nhịêt hệ NaCl – o MgCl2 – H2O ở 25 C để giải thích và tính lượng NaCl tách ra khi trộn dung dịch NaCl gần bảo hòa gồm 23,5 kg NaCl và 66,5 kg H2O với dung dịch MgCl2 có thành phần là 84,0 o kg MgCl2 và 156,0 kg H2O ở 25 C. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 20 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 21 CHƯƠNG 5 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 3 MUỐI NƯỚC 2.2. Ví dụ 2: Cho giản đồ hệ NaCl – KCl – H2O với 2 đường độ tan đẳng nhiệt ở 25o và 100oC. Hãy sử dụng giản đồ này để tách 2 muối NaCl, KCl ra dưới dạng nguyên chất trong hỗn hợp: 7,5 kg NaCl, 15,0 kg KCl và 100 kg H2O. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 22