Bài giảng Giản đồ pha - Chương 6: Giản đồ nóng chảy của các hệ bậc 4 ngưng kết (Có chứa pha rắn) - Nguyễn Văn Hòa

CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) 1. KHÁI NIỆM VỀ GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT 1.1. Nhận xét chung Quy tắc pha: T = 4 – P +1 = 5 – P  Tmax = 4, có nghĩa là muốn biểu diễn đầy đủ giản đồ phải sử dụng không gian 4 chiều. Điều này khó thực hiện và giản đồ thu được không thuận lợi trong sử dụng. Vì vậy trong thực tế thường tiến hành nghiên cứu các hệ bậc 4 ngưng kết trong điều kiện giữ thêm 1 số yếu tố nào đó cố định. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) • Khi nghiên cứu ở điều kiện đẳng nhiệt thì số bậc tự do cực đại là 3 (tương ứng với các thông số cân bằng là 3 nồng độ của 3 cấu tử), nên có thể dùng không gian 3 chiều để biểu diễn giản đồ nóng chảy (tứ diện thành phần). • Khi giữ cố định thành phần của 1 cấu tử hoặc tỉ lệ thành phần của 1 cặp cấu tử nào đó thì có thể xây dựng giản đồ trên mặt phẳng. • Để nghiên cứu thực tế người ta thường xây dựng trực tiếp giản đồ hình chiếu phẳng thay cho giản đồ không gian. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) 1.2. Phương pháp biểu diễn thành phần hệ bậc 4 đơn giản Dùng phương pháp Rozêbom – Phêđôrốp để biểu diễn thành phần. Theo phương pháp này: • Thành phần các cấu tử cũng được biểu diễn theo % khối lượng hay % mol và trên tứ diện đều, trong đó đỉnh tứ diện biều diễn thành phần cấu tử nguyên chất, cạnh tứ diện biểu diễn thành phần hệ bậc 2, mặt tứ diện biểu diễn thành phần hệ bậc 3, thể tích tứ diện biểu diễn thành phần hệ bậc 4. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) • Để biểu diễn người ta chia chiều cao hay cạnh của tứ diện thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần biểu diễn 1%. Cách xác định điểm biểu diễn khi biết thành phần hệ: Ví dụ: Cho hệ bậc 4 gồm các cấu tử A, B, C, D có thành phần tương ứng là a%, b%, c% và d%. Hãy xác định điểm biểu diễn M của hệ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) Cách 1: Từ 1 đỉnh của tứ diện, ví dụ đỉnh D, làm gốc tọa độ, trên các cạnh xuất phát từ đỉnh D là DA, DB, DC đặt các đọan thẳng DA’, DB’, DC’ tương ứng a, b, c%, rồi qua các điểm A’, B’, C’ vẽ các mặt phẳng song song với các bề mặt đối diện với các đỉnh A, B, C còn lại. Giao điểm của các mặt phẳng xây dựng chính là điểm M. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) Cách 2: Từ 1 đỉnh làm gốc tọa độ, ví dụ đỉnh A, trên 1 cạnh xuất phát từ đỉnh A, ví dụ là AD, đặt đoạn thẳng AD’ bằng d%, từ D’ vẽ trong bề mặt ADC của tứ diện đoạn thẳng D’C’ bằng c% song song với cạnh AC, từ C’ vẽ trong mặt phẳng ABK (chứa cạnh AB và điểm C’) đoạn thẳng C’B’ bằng b% song song với cạnh AB. Điểm B’ chính là điểm M cần tìm. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) Cách xác định thành phần khi biết điểm biểu diễn hệ: Qua điểm biểu diễn hệ vẽ các mặt phẳng song song với các bề mặt của tứ diện. Các mặt phẳng xây dựng sẽ cắt trên các cạnh những đoạn thẳng tương ứng thành phần các cấu tử, trong đó đoạn thẳng xuất phát từ mút này của cạnh biểu diễn thành phần của cấu tử ở mút đối diện của cạnh đó. 1.3. Các tính chất của tứ diện thành phần  Tất cả các điểm nằm trên mặt phẳng cắt tứ diện và song song với 1 mặt tứ diện biểu diễn thành phần không đổi của cấu tử đối diện. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN)  Tất cả các điểm nằm trong mặt phẳng cắt tứ diện và chứa 1 cạnh của tứ diện biểu diễn tỉ lệ thành phần không đổi của 2 cấu tử không nằm trong mặt phẳng đó. Tỉ lệ này bằng tỉ lệ của các đoạn thẳng do mặt phẳng này cắt cạnh chứa 2 cấu tử nói trên lấy theo quy tắc đòn bẩy.  Tất cả các điểm nằm trên 1 đường thẳng trong tứ diện đi qua 1 đỉnh biểu diễn tỉ lệ thành phần không đổi của 3 cấu tử còn lại. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN)  Các quy tắc đòn bẩy và trọng tâm khối lượng đều thỏa mãn: - Khi trộn p phần khối lượng của hệ P với q phần khối lượng của hệ Q sẽ thu được hỗn hợp M nằm trong đoạn 푝 푀푄 thẳng PQ ứng với tỉ lệ: = 푞 푃푀 - Khi trộn lẫn p, q, m, n phần khối lượng của các hệ P, Q, M, N sẽ thu được hỗn hợp S có điểm biểu diễn ứng với trọng tâm khối lượng của các hệ hợp phần đó. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) 2. GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT TẠO THÀNH ƠTECTI ĐƠN GIẢN Khảo sát hệ bậc 4: A – B – C – D có các cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng nhưng không hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn. Như vậy tất cả các hệ bậc 2, bậc 3 của hệ cũng đều tạo thành ơtecti đơn giản. 2.1. Các yếu tố hình học của giản đồ − Điểm: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) • Các điểm ơtecti bậc 2 (L, M, N, O, P, Q) (trong các hệ bậc 2): tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp (tách ra đồng thời 2 cấu tử: L ⇌ R1 + R2). • Điểm ơtecti bậc 4 E: tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp (tách ra đồng thời 4 cấu tử: L ⇌ A + B + C + D). Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) • Các điểm ơtecti bậc 3 (E1, E2, E3, E4) (trong các hệ bậc 3): tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp (tách ra đồng thời 3 cấu tử: L ⇌ R1 + R2 + R3). − Đường cong: • Các đường cong kết tinh bậc 2 (trong các hệ bậc 3): ví dụ: LE1 tương ứng quá trình kết tinh nhất biến đồng thời 2 cấu tử A và B. • Các đường cong kết tinh bậc 3 (E1E, E2E, E3E, E4E): ví dụ: E1E tương ứng quá trình kết tinh nhất biến đồng thời 3 cấu tử A, B và C. Các đường cong này giao nhau tại điểm ơtecti bậc 4 E. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) • Các bề mặt cong kết tinh bậc 2 (6 bề mặt): ví dụ LE1EE3L tương ứng quá trình kết tinh nhị biến đồng thời 2 cấu tử A và B. Các bề mặt cong này giao nhau từng cặp tạo nên 4 đường cong kết tinh bậc 3 nói trên và chúng đồng thời giao nhau tại điểm E. • Các thể tích kết tinh bậc 1 (4 thể tích): ví dụ ALE1ME2NE3E tương ứng quá trình kết tinh 1 cấu tử là A. Các thể tích này cũng giao nhau tại điểm E. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) 2.2. Khảo sát quá trình kết tinh hỗn hợp F Gồm các giai đoạn sau: - Làm lạnh chưa kết tinh: điểm hệ nằm nguyên tại F. - Kết tinh tam biến cấu tử A: điểm pha lỏng theo tia kết tinh AF, từ F  F1, điểm pha rắn nằm nguyên tại A. - Kết tinh nhị biến đồng thời 2 cấu tử A và D: điểm pha lỏng theo đường cong NF2 (giao tuyến của bề mặt cong NE3EE2N với mặt phẳng chứa cạnh AD và điểm F), từ F1  F2, điểm pha rắn theo cạnh AD, từ A  R2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14 CHƯƠNG 6 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 4 NGƯNG KẾT (CÓ CHỨA PHA RẮN) - Kết tinh nhất biến đồng thời 3 cấu tử A, B và D: điểm pha lỏng chuyển dịch theo đường cong kết tinh bậc 3 E3E, từ F2  E, điểm pha rắn chuyển dịch vào bề mặt tứ diện ABD, từ R2  R3. - Kết tinh vô biến tương hợp đồng thời 4 cấu tử A, B, C, D: điểm pha lỏng nằm nguyên tại E, điểm pha rắn chuyển dịch vào tứ diện, từ R3  F. Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và thu được hỗn hợp rắn của 4 cấu tử A, B, C và D. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15