Bài giảng Giản đồ pha - Chương 7: Giản đồ độ tan đẳng nhiệt của các hệ bậc 4 muối – nước đơn giản - Nguyễn Văn Hòa

CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 định trạng thái cân bằng của hệ là t0 và 3 nồng độ của 3 muối. - Thực tế, nghiên cứu hệ ở t0 = const. Khi đó giản đồ được gọi là giản đồ độ tan đẳng nhiệt không gian (3 chiều). Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 1 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 mặt đáy và biểu diễn thành phần các muối, các bề mặt khác của tứ diện biểu diễn các hệ bậc 3 muối – nước, các cạnh tứ diện biểu diễn các hệ bậc 2 muối – nước. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 2 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 WAZ. Điểm C’ chính là điểm M. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 3 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN - Phương pháp lăng trụ 3 mặt: • Đáy là tam giác đều, biểu diễn thành phần 3 muối theo % khối H O H O lượng hay mol. 2 2 • Trên các cạnh thẳng góc với các H2 O đỉnh tam giác đáy biểu diễn hàm lượng nước tính theo tổng hàm lượng 3 muối nói trên (ví dụ: số AX 2 AZ gam nước/100 gam các muối hay mol soá H muoái O /100 caùc mol số mol nước/100 mol các muối). AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 4 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 hợp được biểu diễn bằng phản ứng: LO ⇌ AX + AY + AZ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 5 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN W(H O) Đường cong kết tinh bậc 2 2 R (E1O, E2O, E3O): biểu diễn 2 R các dung dịch bảo hòa 2 3 muối, tương ứng quá trình F N L kết tinh nhất của cặp muối. E3 F1 M E1 Bề mặt cong kết tinh bậc 1 E 2 F2 (LE OE L, ME OE M, o 1 3 2 1 AX E' 3 AZ NE OE N): biểu diễn các F' 3 2 E' 1 F' o' dung dịch bảo hòa 1 muối, 2 E'2 tương ứng quá trình kết tinh nhị biến của 1 muối. AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 1 muối và những tinh thể của muối đó), 3 thể tích 3 pha (dung dịch 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 muối đó). b. Hình chiếu tâm trên mặt đáy của giản đồ độ tan đẳng nhiệt không gian: Nguyên tắc phương pháp chiếu tâm: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 7 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN • 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. Từ đây: tất cả các điểm nằm trên cạnh tứ diện, ví dụ cạnh WAZ, sẽ có hình chiếu là điểm AZ; tất cả các điểm nằm trong mặt tứ diện, ví dụ mặt WAXAZ, sẽ có hình chiếu nằm 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, 100a 100b 100c c’% AZ: a′ = ; b′ = ; c′ = a+b+c a+b+c a+b+c Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 áp dụng quy tắc đòn bẩy để tính toán quá trình kết tinh đẳng nhiệt. AZ Các yếu tố hình học: • Các trường kết tinh bậc 1 ’ ’ ’ AZ (AXE1 O E3 AX; E' 3 E'2 ’ ’ ’ O' AYE2 O E1 AY; ’ ’ ’ AX F' AZE3 O E2 AZ): Tương 2 F' AY ứng quá trình kết tinh của AX R' AY 1 muối từ dung dịch. 2 E'1 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN ’ ’ ’ ’ ’ ’ • Các đường cong kết tinh bậc 2 (E1 O ; E2 O ; E3 O ): Tương ứng quá trình kết tinh đồng thời của 2 muối từ dung dịch. ’ ’ • Các điểm eptonic của các hệ muối – nước bậc 3 (E1 ; E2 ; ’ E3 ): Tương ứng quá trình kết tinh vô biến tương hợp của các 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 Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN c. Khảo sát quá trình kết tinh Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch F trên giản đồ không gian 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 WAX, từ W  R2. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN • 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 hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY và AZ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN - 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 và ’ AY) 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 ’  F2 . Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và ta thu được hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY, AZ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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 sử muối AX kết tinh dưới 2 dạng AX và AX.nH2O. Từ giản đồ thấy 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 E4P: biểu diễn quá trình kết tinh nhất biến không tương hợp L + AX.nH2O ⇌ AX. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Xét quá trình cô đẳng nhiệt dung dịch M: Tách muối AX.nH2O: điểm pha lỏng theo tia kết tinh AXM, từ M M1, điểm pha rắn nằm nguyên tại AX. Hòa tan AX.nH2O, tách AX: điểm pha lỏng nằm nguyên tại M1, điểm pha rắn vẫn nằm nguyên tại AX. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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) theo cạnh 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 thu được hỗn hợp 3 muối rắn AX, AY và AZ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 16 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 2.3. Trường hợp hệ tạo thành muối kép S (AX.AY) Muối kép tạo thành có thể hòa tan tương hợp (tương ứng giản đồ hình chiếu phẳng I) hay không tương hợp (tương ứng giản đồ hình chiếu phẳng II). AZ E3 AX E2 I II O S E 4 P M AX M 1 AY S R2 R 1 AX R E1 AY Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 17 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Trường hợp muối kép tạo thành hòa tan tương hợp, khi nối S với AY sẽ tạo ra 2 giản đồ với các yếu tố hình học giống trường 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 từ trước để tạo thành S và AY: (LP + AX ⇌ S + AY). • Đường cong E4P: tương ứng quá trình kết tinh nhất biến không tương hợp là pha lỏng L hòa tan AX tách ra từ trước để tạo thành S: (L+ AX ⇌ S). Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 18 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 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, AZ) theo R2O, từ R2  M. Quá trình kết tinh kết thúc ở đây và thu được hỗn hợp 3 muối rắn S, AY, AZ. Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 19 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN KỸ THUẬT Cho dung dịch gồm 20 kg NaCl, 4 kg KCl, 8 kg MgCl2 và o 200 kg H2O ở 25 C. Xét quá trình kết tinh và tính toán lượng các muối tách ra trong quá trình bay hơi đẳng nhiệt dung dịch trên cho đến khi bắt đầu tách ra MgCl2. Cho biết dữ o kiện tính tan của hệ NaCl – KCl – MgCl2 – H2O ở 25 C: Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 20 CHƯƠNG 7 – GIẢN ĐỒ ĐỘ TAN ĐẲNG NHIỆT CỦA CÁC HỆ BẬC 4 MUỐI – NƯỚC ĐƠN GIẢN Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 21