Bài giảng Chương 4: Lý thuyết cân bằng pha

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT CÂN BẰNG PHA 4.1. Một số khái niệm a. Pha 4.1. Một số khái niệm 4.2. Điều kiện cân bằng pha 4.3. Qui tắc pha Gibbs 4.4. Giản đồ pha và các qui tắc pha 1 • Pha là tập hợp những phần đồng thể của hệ, có cùng thành phần hóa học và tính chất vật lý, hóa học ở mọi điểm, các pha được phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha . • Số pha được ký hiệu là f. 2 4.1. Một số khái niệm b. Hợp phần 4.1. Một số khái niệm c. Số cấu tử • Hợp phần:Là các chất( Đơn chất hoặc hợp chất) tạo thành hệ, mỗi hợp phần đều có thể tách khỏi hệ và tồn tại độc lập ngoài hệ. • Số hợp phần: là tổng số các chất có trong hệ, ký hiệu là r. 3 • Số cấu tử: là số hợp phần tối thiểu đủ để tạo nên hệ (xác định trạng thái của hệ). • Số cấu tử ký hiệu là k.( k ≤ r) • Hệ không có phản ứng hoá học: k = r • Hệ có phản ứng hoá học: k < r • Có thể áp dụng quy tắc sau: k = r – q Trong đó q là số phương trình liên hệ nồng độ giữa các cấu tử và do điều kiện ban đầu quyết định. Số phương trình này 4 phải độc lập với nhau. 1 4.1. Một số khái niệm Ta có thể áp dụng công thức: c = Σ (thông số trạng thái) - Σ (phương trình liên hệ) d. Bậc tự do 5 •Bậc tự do (hay độ tự do) của một hệ là số thông số nhiệt động độc lập đủ để xác định hệ ở thời điểm cân bằng. •Ký hiệu bậc tự do là c. •Tổng quát: c ≥ 0 Ví dụ: Trạng thái của một khí lý tưởng được xác định bởi 3 thông số: T, P và V, nhưng giữa chúng lại có mối quan hệ: PV = nRT nên bậc tự do: c = 3 -1 = 2 Hệ có c = 0 gọi là hệ vô biến tức là không có thông số trạng thái nào độc lập. Hệ có c = 1 gọi là hệ nhất biến tức là chỉ có một thông số trạng thái độc lập, các thông số khác là phụ thuộc. Hệ có c = 2 gọi là hệ nhị biến có nghĩa là chỉ có hai thông số trạng thái độc lập các thông số trạng thái khác là phụ thuộc. 6 4.2. Điều kiện cân bằng pha 4.3. Qui tắc pha Gibbs 7 Các pha muốn tồn tại cân bằng với nhau thì phải có những điều kiện sau đây:  Nhiệt độ của các pha phải như nhau. Tα=Tβ=...=Tκ  Áp suất tác động các pha phải bằng nhau. Pα=Pβ=...=Pκ  Hoá thế của mỗi cấu tử trong các pha phải bằng μ1α =μ1 =...=μ1κ nhau μ2α =μ2β =...=μ2κ ---------- μkα =μkβ =...=μkκ  Quy tắc pha Gibbs: C = k – f + n với n là số thông số tác động lên hệ  Thông thường 2 thông số đó là nhiệt độ và áp suất là hằng số nên : C = k – f + 2  Nếu nhiệt độ là hằng số hoặc áp suất là hằng số thì: C = k – f + 1  Qui tắc pha Gibbs là một trong những định luật tổng quát nhất áp dụng cho mọi cân bằng pha, nó cho phép định tính mối quan hệ của những thông số nhiệt động trong các quan hệ cân bằng dị thể và từ đó tìm ra các mối quan hệ định lượng giữa các 8 thông số này. 2 Bài tập ví dụ: Ví dụ 1: Vận dụng quy tắc pha Gibbs, xác định số bậc tự do của hệ gồm hỗn hợp NH4Cl, NH3 và HCl khi: – Nhiệt độ rất thấp. – Nhiệt độ khá cao. – Đun nóng. Ví dụ 2: Giải thích vì sao hệ KCl - NaCl - H2O là hệ 3 cấu tử trong khi đó hệ KCl - NaBr - H2O lại là hệ 4 cấu tử. 4.4. Giản đồ pha và các qui tắc pha  Giản đồ pha còn gọi là biểu đồ trạng thái là đồ thị mô tả sự phụ thuộc giữa các thông số trạng thái của hệ nằm trong cân bằng pha.  Một giản đồ pha bao gồm các đường, các mặt và các vùng. – Các đường dùng mô tả sự phụ thuộc giữa hai thông số, – Các mặt trong không gian ba chiều mô tả sự phụ thuộc của ba thông số nhiệt động – Các vùng trên giản đồ pha mô tả những hệ có số lượng và dạng các pha xác định nằm cân bằng với nhau.  Giản đồ pha là công cụ đắc lực để nghiên cứu định tính cũng như định lượng các quá trình chuyển pha, từ đó tính toán các thiết bị trong dây chuyền công nghệ hóa học. 9 10 4.4.1. Cách biểu diễn các thông số nhiệt động trên giản đồ pha a. Các thông số nhiệt độ, thể tích hay áp suất Đối với các thông số này ta dùng phương pháp biểu diễn thông thường trên trục số. Trong một số trường hợp, khi giá trị của thông số thay đổi trong một khoảng khá rộng thì có thể biểu diễn chúng dưới dạng nghịch đảo hay logarit của nó. 11 12 4.4.1. Cách biểu diễn các thông số nhiệt động trên giản đồ pha b. Biểu diễn thành phần của hệ 2 cấu tử  Trong hệ hai cấu tử, ta dùng một đoạn thẳng được chia thành 100 phần như nhau.  Thành phần của các cấu tử trên giản đồ pha thường dùng là phần mol xi, phần trăm khối lượng yi%( Hay % mol)  Biểu thức quan hệ: xA + xB = 1 hay y1 + y2 = 100%.  Khi điểm biểu diễn của hệ càng gần cấu tử nào thì hàm lượng của cấu tử đó càng lớn. 3 4.4.1. Cách biểu diễn các thông số nhiệt động trên giản đồ pha c. Biểu diễn thành phần của hệ 3 cấu tử Thành phần của hệ 3 cấu tử thường được biểu diễn bằng một tam giác 4.4.1. Cách biểu diễn các thông số nhiệt động trên giản đồ pha c. Biểu diễn thành phần của hệ 3 cấu tử Ba đỉnh của tam giác là ba điểm hệ của các cấu tử nguyên chất A, B và C (100%). Ba cạnh của tam giác AB, AC và BC biểu diễn thành phần của hệ hai cấu tử. Các điểm trong tam giác ABC biểu diễn thành phần của hệ ba cấu tử.Thành phần mỗi cất tử được xác định theo pp Gibbs hoặc Bozebom 13 đều : 14 c. Biểu diễn thành phần của hệ 3 cấu tử Phương pháp Gibbs: Tổng các k/cách hạ từ 1 điểm bất kỳ trong tam giác xuống các cạnh bằng đường cao tam giác. Thành phần của mỗi cấu tử được xác định bằng tỷ lệ của đoạn thẳng vuông góc hạ từ điểm biểu diễn xuống cạnh đối diện của cấu tử đó với đường cao h. Ví dụ điểm P có thành phần ? c. Biểu diễn thành phần của hệ 3 cấu tử Phương pháp Bozebom: Tổng độ dài các đoạn thẳng song song với các cạnh xuất phát từ 1 điểm bất kỳ trong tam giác bằng cạnh tam giác. Thành phần của hệ xác định bằng cách chiếu điểm hệ song song với cạnh đối của đỉnh để biểu diễn thành phần của cấu tử đó. %A = Pa100%; %B = Pb100% %C = Pc100% 15 Ví dụ điểm P có: 16 %A = 40%; %B= 40% %C= 20% 4 ... - tailieumienphi.vn