Giản Đồ Pha Của Nước, Giản Đồ Pha của Carbon, các tính chất hóa lý và các trạng thái của nước (H2O) và carbon (C).

Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
MỤC LỤC
PHẦN I. NƯỚC VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC
CHƯƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NƯỚC
I. Giới thiệu về nước
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 1
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Nước là một chất duy nhất có mặt khắp nơi mà nó là thành phần chính của tất cả
các sinh vật sống. Bản chất và tính chất của nước thì luôn được các nhà triết học, nhà
nghiên cứu sinh vật học, và nhà khoa học tìm hiểu và khám phá kể từ thời xa xưa. Và
ngày nay nước tiếp tục thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học vì sự hiểu
không rỏ ràng, và những điều bí ẩn về nước và cấu trúc của nước mặc dù nó được nghiên
cứu suốt nhiều năm qua. Điều này rất tất yếu vì nước có nhiều tính chất vật lý và tính
chất hóa học bất thường. Một vài tính chất đặc trưng của nó là chất cần thiết cho sự sống,
những mặt ảnh hưởng của nước đến kích thước và hình dạng của sinh vật, cơ chế hoạt
động của nước nước như thế nào, những tính chất vật lý giới hạn thì đang được các nhà
khoa học nghiên cứu sâu hơn. .
II. Thành phần cấu tạo của nước
II.1. Cấu tạo dạng đơn phân tử
Nước là một hợp chất hóa học đặc biệt, nó có công thức phân tử là H
2
O (M =18)
gồm hai nguyên tử hydro liên kết một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy có độ âm điện lớn
vì vậy nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hydro nhỏ hơn. Kết quả là chúng
chiếm ưu thế trong mối liên kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích
dương gần với nguyên tử hydro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy.
Sáu điện tử linh động của oxy trong phân tử nước tạo thành bốn đám mây điện tử
sp
3
hướng về bốn đỉnh của một tứ diện. Hai trong bốn đám mây điện tử đó xen lẫn với
đám mây điện tử của hai nguyên tử tạo thành liên kết đồng hóa trị O-H với góc liên kết

H-O-H là 104
o
5
’
, độ dài liên kết O-H là 0.96A
o
, trong khi hai đám mây còn lại chứa hai
điện tử không liên kết.
Hydro có 3 đồng vị Proti (1H), Dơtri (2H) và Triti (3H). Trong thiên nhiên 1H
chiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử; 2H chiếm từ 0.0139 ÷ 0.0151% tổng số
nguyên tử; đồng vị 3H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm.
Oxy cũng có 6 đồng vị: 14O, 15O, 16O, 17O, 18O, 19O nhưng chỉ có 3 đồng vị
thiên nhiên là 16O (chiếm 99.759% tổng số nguyên tử), trong khi đó 17O (chiếm
0.037%) và 18O (chiếm 0.037%).
Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99.8% tổng lượng nước tự nhiên.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 2
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0.2% tổng lượng nước tự nhiên.
Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên nhân
là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự phân bố
các đồng vị (H và O) khác nhau.
Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn nhau
nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hidro, nhờ đó ở nhiệt độ
thường chúng ở trạng thái lỏng.
Hình 1. Phân tử nước
II.2. Cấu tạo dạng liên hợp của nước
Dạng liên hợp được tạo thành do liên kết hydro giữa các phân tử nước, số lượng
các phân tử nước tham gia vào liên hợp nước rất khác nhau. Quá trình tạo liên hợp nước
gọi là quá trình hydrat hóa nước, ngược lại là quá trình phân ly liên hợp nước thành các
đơn phân tử nước gọi là quá trình dehydrat hóa nước. Hai quá trình này luôn xảy ra đồng

thời và tùy vào trạng thái của nước mà ta sẽ có quá trình hydrat hóa hay quá trình
dehydrat chiếm ưu thế hơn.
nH
2
O ↔ [H
2
O]
n

Như đã trình bày ở trên, do cấu tạo có 4 vị trí có thể cho hay nhận điện tử để tạo
liên kết hydro mà một phân tử nước có thể gắn tối đa 4 phân tử còn lại tạo thành 4 đỉnh.
Nếu số phân tử nước tăng lên nữa thì cấu trúc dạng liên hợp nước sẽ là một mạng không
gian ba chiều tạo thành từ các liên kết hydro. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ
với các phân tử nước đơn lẻ: nH
2
O ⇔ (H
2
O)
n
có ΔH < 0. Giá trị n thay đổi theo nhiệt độ
(ở thể hơi n = 1; ở thể rắn n = 5; ). Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử
nước ở trung tâm và bốn phân tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 3
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
III. Trạng thái tồn tại của nước
Cũng như các hợp chất hóa học khác, trong tự nhiên nước tồn tại ở cả ba trạng
thái: rắn, lỏng, hơi. Nước ở trạng thái lỏng trong khoảng nhiệt độ từ 0
o
C đến 100
o

C. Ở
trạng thái này hai quá trình hydrat hóa và dehydrat hóa nước cùng diễn ra đồng thời.
Khi nhiệt độ hạ thấp dần, dao động nhiệt của các phân tử nước cũng giảm dần, tạo
điều kiện cho quá trình hydrat hóa xảy ra, liên hợp nước càng lớn. Tại điểm đông đặc 0
o
thì chỉ có khoảng 50% tổng số phân tử nước tham gia dạng liên hợp nước.
IV. Những tính chất cơ bản của nước
IV.1. Tính chất vật lý
Những tính chất vật lý được lựa chọn được cho trong bảng. Khi so sánh những
dung môi hữu cơ khác như methanol và dimethyl ether với nước, ta thấy một hoặc hai
nguyên tử hydrogen đã được thay thế bằng nhóm methyl theo thứ tự. Nước là một dung
môi nhỏ, chiếm khoảng 0,03 nm
3
/phân tử ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ và áp suất phòng,
các phân tử nước liên kết với nhau rất mạnh vì tương tác mạnh liên phân tử mạnh (liên
kết hydrogen giữa những nguyên tử hydrogen và những nguyên tử oxygen). Điều này
được phản ánh qua nhiệt độ sôi của nước cao tức là cần môt lượng nhiệt lớn để làm bay
hơi nước, và sức căng bề mặt của nước cao. Sự thay thế một hoặc hai nguyên tử
hydrogen đã làm lực tương tác liên phân tử giảm mạnh. Lực tương tác mạnh và bám dính
với nhau giữa những phân tử nước đã cho kết quả:
(1) Độ nhớt cao chất lỏng có dòng chảy là tương tác giữa những phân tử lân cận
luôn luôn bị phá vở.
(2) Khả năng tạo ra nhiệt cao – khả năng để trử một nguồn năng lượng lớn cho sự
tăng động năng (nhiệt độ).
Bảng 1.Tính chất vật lý của nước [1]
Tính chất Nước Methanol Dimethyl
ether
Công thức H
2
O

CH
3
OH (CH
3
)
2
O
Khối lượng phân tử (g/mol) 18 32 46
Khối lượng riêng (kg/L) 0.998 0.7914 0.713
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 4
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Nhiệt độ sôi (
O
K) 373 338 248
Thể tích mol (nm
3
) 0.0299 0.0420 0.107
Khối lượng riêng lớn nhất ở (
o
K) 277 Không Không
Nhiệt dung riêng (JK–1 g–1) 4.18 2.53 2.37
(JK
–1
mol
–1
) 75.2 81.0 109.0
Nhiệt hóa hơi (kJ g
–1
) 2.3 1.16 0.40

(kJ mol–1) 41.4 37.1 18.4
Sức căng bề mặt (mN m
–1
) 72.8 22.6 16.4
Độ nhớt (μPa s) 1002 550 233
Hằng số điện môi 78.6 33.6 5.0
Momen lưỡng cực (Cm × 10
30
) 6.01 5.68 4.34
Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở 0
o
C, sôi ở 100
o
C, rất cao so với
điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm.
Nước thường và nước nặng có tính chất vật lý khác nhau:
Bảng 2. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của nước thường và nước nặng
Tính chất vật lý Nước thường
1
H
2
16
O (H
2
O) Nước nặng
2
H
2
16
O (D

2
O)
Tỷ khối (d) ở 277
o
K 1 1,1056
Nhiệt độ nóng chảy (oK) 273 276,8
Nhiệt độ sôi (
o
K) 373 374,42
Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm (bảng 2)
Bảng 3. Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường
Nhiệt độ sôi (
o
C) 0 10 20 30 40 50 100
Áp suất P (mmHg) 4.2 9.2 17.5 31.8 55.3 92.5 760
Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng
độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của dung
dịch càng thấp.
Độ hoà tan của các khí trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác.
Nước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua (hấp
thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ
sâu trong nước.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 5
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3.98
o
C (≈ 4
o
C) không phải là điểm

đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng. Tỷ trọng của nước thay đổi theo
nhiệt độ.
Đối với nước tinh khiết sự thay đổi này như trong bảng 4
Bảng 4. Sự thay đổi tỷ trọng của nước tinh khiết đối với nhiệt độ
t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
) t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
)
0 0.99987 20 0.99828
4 1.00000 25 0.99707
10 0.99973 30 0.99567
15 0.99913 100 0.95838
Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho
nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt.
Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH3) và tạo điều kiện giữ
nhiệt ở điểm kết tinh của nước.
Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g.
o
C) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH
3
)
nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau.
Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá:
2H
2

O - 4e ⇔ 4H
+
+ O
2
E0 = - 1,230V
2H
2
O + 2e ⇔ 2OH
-
+ H
2
E0 = - 0,828V
Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các
quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men.Nước là trung tâm cuộc sống của vi
khuẩn.
IV.2. Sự hòa tan các chất trong nước
Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là
chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm
nhập hòa tan rất nhiều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch. Với phân tử nhỏ và phân
cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành các hệ
phân tán như keo, huyền phù.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 6
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
IV.2.1. Sự hòa tan chất rắn trong nước
Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòa tan. Các chất hòa tan có thể ở dạng
ion cũng có thể không ở dạng ion. Cả hai loại này đều có thể hòa tan trong nước.
Sự hòa tan bao chủ yếu gồm 2 quá trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá).
• Quá trình lý học thường thu nhiệt: ΔΗa > 0.
• Quá trình hiđrát hoá thường toả nhiệt: ΔΗb < 0.
Nhiệt của quá trình hoà tan ΔΗ (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một

mol chất tan vào nước):
ΔΗ = ΔΗa + ΔΗb (1-1)
Nếu ΔΗ > 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt.
Nếu ΔΗ < 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt.
Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước:
- Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt.
Tiếp đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các
khoảng trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập. Trong đa số trường hợp đều thu
nhiệt.
- Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung
môi để
tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa. Quá trình hòa tan là toả nhiệt. Nhiệt
hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên. Tùy quá trình nào chiếm ưu
thế mà giá trị ΔH (hiệu ứng nhiệt của phản ứng) có thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá
trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Thực tế, nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng
3KJ/mol.
IV.2.2. Sự hòa tan chất khí trong nước
Sự có mặt của chất khí hoà tan có vai trò rất lớn đối với các đặc tính hoá, sinh học
của nước, đặc biệt là oxy và khí carbonic. Sự tồn tại của các chất khí trong nước đã làm
biến đổi pH và tính thế oxy hoá khử (Eh) của nước, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng
của nước. Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng
hóa của nước và áp suất của chất khí đó.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 7
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa
chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với tốc độ
bằng nhau. Nếu ta tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng, khí
sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan trong
dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc này dung
dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn. Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất khí và áp

suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry.
Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm. Chất khí là hợp
chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử hợp chất thường là phân tử
phân cực. Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí
giảm. Ví dụ độ hòa tan của O
2
sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước
40g/L.
IV.2.3. Sự hòa tan chất lỏng trong nước
Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một
chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở lớp
vỏ điện tử, ). Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định. Thông thường
các chất lỏng phân cực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất hữu cơ thường khó hòa
tan trong nước.
IV.3. Những tính chất đặc biệt của nước
Tính chất đặc biệt của nước là nó có những tính chất khác biệt được tìm thấy so
với những chất lỏng khác. Nước đông đặc (nước đá) cũng thể hiện khác thường khi so
sánh với những chất rắn khác. Mặc dù bên ngoài có vẻ như phân tử nước khá đơn giản
nhưng những tính chất của nó thì phức tạp và khác thường vì liên kết hydro nội phân tử
của nó. Ở dạng hơi nó được biết là chất nhẹ nhất, nhưng ở dạng lỏng nó nặng hơn sự
mong đợi, và ở dạng rắn thì nó nhẹ hơn khi so sánh nó với một chất lỏng cùng dạng với
nó.
Nước ở dạng lỏng thì phổ biến khắp nới trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta,
nó được quan tâm đến như chất lỏng “đặc trưng”. Và thật sự, nước là chất lỏng đặc trưng
nó có những thuộc tính của vật liệu đặc biêt từ ở nhiệt độ thấp đến ở nhiệt độ cao. Nhiệt
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 8
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
dung riêng lớn, tính dẫn nhiệt cao góp phần cho những sinh vật điều chỉnh nhiệt và ngăn
chặn sự thay đổi nhiệt độ thất thường, vì vậy mà nước cho phép chúng ta có thể điều
chỉnh được nhiệt độ của chúng ta một cách dễ dàng.

Nhiệt hóa hơi cao làm chống lại sự khử nước (dehyrat hóa) và sự dễ dàng làm bay
hơi để làm lạnh. Nước là một dung môi ưu việt vì tính phân cực của nó, hằng số điện môi
cao, và kích thước nhỏ, điều này đặc trưng cho những hợp chất phân cực và hợp chất ion
và các muối.
Nước có những tính chất hydrat hóa đặc thù giống như các đại phân tử sinh học
(như proteins và acid nucleic) mà nó quyết định dạng cấu trúc ba chiều của nó, chức năng
của nó trong dung dịch. Sự hydrat hóa này tạo ra những gel mà nó có thể chịu đựng
ngược sự chuyển tiếp pha gel-sol mà chúng tồn tại trong nhiều cơ chế của tế bào.
Nước ion hóa và có khả năng trao đổi proton giữa các phân tử, vì vậy nó gớp phần
cho sự làm giàu tương tác ion trong sinh vật học.
Trong số những tính chất đặc biệt của nước là tính chất trái ngược của nước nóng
và nước lạnh, điều đáng chú ý hơn cả là ở nhiệt độ thấp nơi mà tính chất chậm đông của
nước thường khác nhau của những dạng nước đá hình lục giác. Như sự chậm đông của
nước lạnh là khi gia nhiệt nó co lại, nó trở nên kém dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ
của nó tăng lên, tốc độ âm thanh trong giới hạn của nó tăng lên, những chất khí trở nên
hòa tan ít hơn và nó dễ dàng gia nhiệt và dẫn nhiệt tốt. Trái lại, nước lỏng nóng khi được
gia nhiệt nó giản nở ra, nó trở nên dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ của nó giảm đi, tốc
độ âm thanh trong giới hạn của nó giảm đi, những chất khí trở nên hòa tan nhiều hơn và
nó khó để gia nhiệt và nó là một chất dẫn nhiệt kém. Khi tăng áp suất các phân tử nước
lạnh di chuyển nhanh hơn, nhưng những phân tử nước nóng thì di chuyển chậm hơn.
Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh.
Tính chất khác thường của nước xuất hiện dưới nhiều cấp độ khác nhau với những
ranh giới khác nhau. Điều này thể hiện trái ngược với nguồn gốc của mô hình, không có
số liệu thí nghiệm. Ranh giới “thuộc cấu trúc” chỉ ra nơi mà nước thì mất trật tự khi bị
nén lại, ranh giới “động học’ chỉ ra nơi mà nước tăng tính phản xạ với khối lượng riêng,
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 9
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
ranh giới “nhiệt động học” chỉ ra nơi mà ở đó có một nhiệt độ của khối lượng riêng cực
đại.
Hình 2. Giản đồ tính chất của nước

IV.3.1.Tính chất đặc biệt của pha nước
• Nước có nhiệt độ nóng chảy cao bất thường.
• Nước có nhiệt độ sôi cao bất thường.
• Nước có điểm tới hạn cao bất thường
• Trạng thái rắn của nước tồn tại một khoảng rộng khác nhau sự ổn định và trạng
thái giả bền của những cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình hơn những vật
liệu khác.
• Sự dẫn nhiệt, hệ số cứng, và vân tốc âm thanh th nước đá giảm khi tăng áp suất.
• Cấu trúc của nước thay đổi ở áp suất cao.
• Sự chậm đông của nước có hai pha và một điểm tới hạn thứ hai tại khoảng -91 °C.
• Nước lỏng có thể đễ dàng bị quá nhiệt.
• Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh; Hiệu ứng Mpemba
• Nước ấm dao động lâu hơn nước lạnh.
IV.3.2. Tính chất đặc biệt về khối lượng riêng của nước
• Khối lượng riêng của nước đá tăng lên khi tăng nhiệt độ (từ 70
o
K trở lên).
• Nước co lại khi nóng chảy.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 10
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
• Áp suất làm hạ điểm nóng chảy của nước đá.
• Nước lỏng có khối lượng riêng tăng khi tăng (từ 3.984oC).
• Áp suất làm giảm nhiệt độ khối lượng riêng cực đại.
• Nước có hệ số giản nở nhiệt thấp.
• Sự giản nở nhiệt của nước làm giảm sự tăng (trở nên âm) ở nhiệt độ thấp.
• Sự giản nở nhiệt của nước tăng lên khi tăng áp suất.
• Nước có hệ số nén thấp bất thường.
• Hệ số nén giảm xuốn khi nhiệt độ tăng từ 46.5 °C.
• Tốc độ âm thanh tăng lên khi tăng nhiệt độ lên từ 74 °C.
• “Âm thanh nhanh” thì được tìm thấy ở tần số cao và thể hiện sự không liên tục tại

áp suất cao.
• Thời gian phục hồi spin trong NMR thì rất nhỏ tại nhiệt độ thấp.
• Độ chuyển dịch NMR tăng lên đến cực đại tại nhiệt độ thấp (chậm đông).
• Chỉ số khúc xạ của nước có giá trị cao chỉ ở dưới 0 °C.
• Sự thay đổi thể tích khi thay đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí là rất lớn.
IV.3.3. Tính chất đặc biệt của vật liệu nước
• Dung dịch nước thì không lý tưởng.
• D
2
O và T
2
O khác nhau rất lớn với H
2
O về tính chất vật lý của chúng.
• Dạng H
2
O và D
2
O khác nhau rất lớn về tính chất pha.
• Nước đá của H
2
O và D
2
O khác nhau rất lớn về tính chất lượng tử.
• Năng lượng động học của nguyên tử hydro trong nước tăng lên tại nhiệt độ thấp.
• Những chất tan ảnh hưởng khác nhau đến tính chất như khối lượng riêng và độ
nhớt.
• Sự hòa tan của những chất khí không phân cực trong nước giảm dần với nhiệt độ
đến cực tiểu và sau đó tăng lên.
• Hằng số điện môi của nước cao.

• Hằng số điện môi liên hệ với một nhiệt độ cực đại.
• Khả năng di động của proton và ion OH thì nhanh khác thường trong vùng điện
trường.
• Độ dẫn điện của nước tăng lên đến một giá trị cực đại tại khoảng 230 °C.
• Hằng số acid của acid yếu thể hiện một nhiệt độ tối thiểu.
• Sự nhiễu xạ tia – X thể hiện cấu trúc chi tiết bất thường.
• Dưới áp suất cao các phân tử nước càng di chuyển xa hơn nữa.
IV.3.4. Tính chất bất thường về nhiệt động học của nước.
• Nhiệt khuếch tán của nước với nhiệt độ thể hiện cực đại tại -17 °C.
• Nước có nhiệt dung riêng cao gấp hai lần nước đá hay hơi nước.
• Nhiệt dung riêng (C
P
và C
V
) thì cao bất thường.
• Nhiệt dung riêng C
P
đạt cực tiểu tại 36 °C.
• Nhiệt dung riêng C
P
đạt cực đại tại -45 °C.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 11
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
• Nhiệt dung riêng (C
V
) có giá trị cực đại.
• Nhiệt bay hơi cao.
• Nhiệt thăng hoa cao.
• Entropy bay hơi cao.
• Tính dẫn nhiệt của nước thì cao và tăng lên đến giá trị cực đại tại 130 °C.

IV.3.5. Tính chất vật lý khác thường của nước
• Nước có độ nhớt cao bất thường.
• Sự tăng độ nhớt lớn khi nhiệt độ thấp xuống.
• Độ nhớt của nước giảm với áp suất dưới 33 °C.
• Sự khuếch tán ánh sáng giảm khi nhiệt độ thấp.
• Tại nhiệt độ thấp, Sự tự khuếch tán ánh sáng của nước tăng lên khi khối lượng
riêng và áp suất tăng.
• Sự khuếch tán nhiệt tăng lên đến giá trị cực đại khoảng 0.8 GPa.
• Nước có sức căng bề mặt cao bất thường.
Hình 3. Những tính chất khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 12
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
CHƯƠNG 2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC
I. Giản đồ pha của nước
Giản đồ pha của nước thì phức tạp, có một số điểm ba, có một hoặc hai điểm tới
hạn. Nhiều dạng tinh thể còn chưa ổn định nhiều ở pha nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Một
mô hình nhiệt động của nước và nước đá Ih, III, V và VI và hàm nhiệt động chuyển pha
được miêu tả. Nước đá có thể bị phân tách ra bởi sự phân tích nhóm về cấu trúc của
chúng. Như nước đá ở áp suất thấp (nước đá lục phương (Ih), nước đá lập phương (Ic) ,
nước đá mười một (XI). Nước đá ở áp suất cao (nước đá VII, nước đá VIII, nước đá X)
và những dạng khác được tìm thấy ở khoảng áp vừa phải trong khoảng tương đối hẹp
khoảng giữa 200-2000 MPa. Tất cả các pha phân chia pha tại đường ranh giới với dạng
lỏng của nước (nước đá Ih, III, V, VI, và VII) có liên kết hydro mất trật tự. Những pha có
liên kết hydro trật tự thì được tìm thấy tại nhiệt độ thấp và được thể hiện ra dưới ánh sáng
yếu.
Điểm tới hạn và đường màu cam trong khoảng không gian pha nước đá – I liên
quan đến tỷ trọng thấp (LDA) và tỷ trọng cao (HDA) tạo thành nước đá vô định hình. Sự
chuyển đổi giữa LDA và HDA là vì tăng entropy và lực hút Van der Waals tiếp xúc trong
HDA làm bù lại cho việc giảm độ mạnh của liên kết hydrogen.
Đường pha áp suất cao giữ pha nước đá –X và pha nước đá –XI thì vẫn là chủ đề

để xác minh thí nghiệm, và đường ranh giới giữa nước siêu tới hạn và nước đá – VII thì
được chắc chắn thiết lập. Nước đá – VII sở hữu hình dạng ở áp suất thấp và cao hơn.
Cả những điểm tới hạn thì được thể hiện như đường viền đỏ trong giản đồ pha ở
trên. Ngoài điểm tới hạn trong không gian lỏng – hơi (hướng đến đỉnh phải phía trên),
nước ở trạng thái siêu tới hạn thì nhỏ nhưng nhóm liên kêt hydro giống chất lỏng phân
tán trong pha giống khí, nơi mà tính chất vật lý giống khí hay giống lỏng biến đổi trong
sự đáp ứng thay đổi tỷ trọng và sự khác biệt thông thường giữa khí và lỏng đã biến mất.
Điểm tới hạn isochor (khối lượng riêng 322kg/m
3
) được thể hiện trong đường đứt
khúc, đường này như chia ra những tính chất giống lỏng hơn và giống khí hơn. Tính chất
của nước siêu tới hạn thì rất khác nhau từ nước bình thường. Ví dụ, nước siêu tới hạn là
dung môi nghèo chất điện ly, nó có khuynh hướng hình thành những cặp ion. Tuy nhiên
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 13
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
nước siêu tới hạn là dung môi tuyệt vời cho những phân tử không phân cực vì nó có hằng
số điện môi thấp và nghèo liên kết hydrogen. Độ nhớt và cả điện môi giảm đáng kể trong
khi sự ion hóa tự động lại tăng lên đáng kể.
Tính chất vật lý của nước gần điểm tới hạn (tới hạn gần) thì ảnh hưởng rất mạnh
một cách khác thường, sự biến động khối lượng riêng rất lớn xung quanh điểm tới hạn là
nguyên nhân gây ra tính đục. Nhiều tính chất của nước lạnh thay đổi trên 200 MPa (ví dụ
như: độ nhớt, tự phản xạ, tính nén, phổ Raman, tách phân tử) điều này có thể giải được
giải thích được bởi sự có mặt của pha lỏng có tỷ trọng cao có chứa liên kết hydro thâm
nhập vào nhau.
Tính chất hóa học của nước thay đổi rất lớn tại nhiệt độ cao và áp suất cao vì sự
thay đổi về sự ion hóa, khả năng hòa tan, sự khuếch tan, và khả năng phản ứng vì liên kết
hydro giảm dần.
Hình 4. Giản đồ pha của nước
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 14
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học

Hình 5. Giản đồ pha P-T của nước
II. Tính chất của giản đồ pha
II.1. Sự thay đổi về khối lượng riêng của nước
Khi áp suất tăng, pha nước đá trở nên nặng hơn. Chúng đạt đến điều này bởi
những điểm uốn của liên kết ban đầu hình thành những vòng khít chặt hay mạng lưới
xoắn ốc, và cuối cùng những mạng lưới thâm nhập và đan xen vào nhau càng tăng số
lượng. Đây là bằng chứng cụ thể khi so sánh nước đá –V với những nước đá giả bền hay
chưa ổn định (nước đá –IV, và nước đá –XII) tồn tại trong giản đồ pha.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 15
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Hai biểu đồ dưới đây chỉ ra sự thay đổi khác nhau về tỷ trọng của chất lỏng, nước
ở dạng hơi và trạng thái siêu tới hạn với nhiệt độ và áp suất khác nhau. Tỷ trong của nước
lỏng tăng lên với sự tăng áp suất và giảm với sự tăng nhiệt độ.
Hình 6. Tỷ trọng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất
Hinh7. Tỷ trọng của những pha nước khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất
Ta nhìn đối diện với khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn (đó là nước đá)
nước dọc theo đường pha lỏng-rắn. Chú ý nhiệt độ thì khác nhau dọc theo đường pha này
(chỉ đường đứt nét). Nước đá lục giá Ih ít nặng hơn nước lỏng trong khi đó những dạng
nước đá còn lại nằm trong đương cân bằng với nước thì đều nặng hơn nước, với sự thay
đổi pha xảy ra trong khi đạt đến khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 16
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
II.2. Điểm ba
Điểm ba là nơi có ba đường pha gặp nhau và ba pha cùng tồn tại tại điểm cân
bằng.
Hình 8. Giản đồ pha nước
Bảng 5. Thông số nhiệt động của những điểm ba của nước
Điểm ba MPa °C
ΔH, kJ
mol

-1
ΔS,
J mol
-
1
K
-1
ΔV
cm
3
mol
-1
D
2
O
Khí Lỏng I h
0.000611657 0.010 661 Pa, 3.82 °C
khí lỏng -44.9 -165 -22050
khí Ih -50.9 -186 -22048
Lỏng Ih -5.98 -22 1.634
Khí I h XI 0 -201.0 0 MPa, -197°C
Lỏng I h III
209.9 -21.985
220 MPa,
-18.8°C
Lỏng Ih -4.23 -16.9 2.434
Lỏng III -3.83 -15.3 -0.839
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 17
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Ih III 0.39 1.6 -3.273

I h II III
212.9 -34.7
225 MPa,
-31.0°C
Ih II -0.75 -3.2 -3.919
Ih III 0.17 0.7 -3.532
II III 0.92 3.8 0.387
II III V
344.3 -24.3
347 MPa,
-21.5°C
II III 1.27 5.1 0.261
II V 1.20 4.8 -0.721
III V -0.07 -0.2 -0.982
II VI XV
~0.8 GPa,
-143°C
Lỏng III V
350.1 -16.986
348 MPa,
-14.5°C
Lỏng III -4.61 -18.0 -0.434
Lỏng V -4.69 -18.3 -1.419
III V -0.07 -0.2 -0.985
Lỏng IV XII ~500-600 ~-6
II V VI ~620 ~-55
Lỏng V VI
632.4 0.16 629 MPa, 2.4°C
Lỏng V -5.27 -19.3 -0.949
Lỏng VI -5.29 -19.4 -1.649

V VI -0.02 -0.5 -0.700
VI VIII XV
~1.5 GPa,
-143°C
VI VII VIII
2,100 ~5 1950 MPa, ~0°C
VI VII -0.09 -o.3 -1.0
VI VIII -1.20 -4.2 -1.0
VII VIII -1.10 -3.9 0.0
Lỏng VI VII 2,216 81.85 2060 MPa, 78°C
Lỏng VI -6.36 -18.0 -0.59
Lỏng VII -6.36 -18.0 -1.64
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 18
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
VI VII 0.0 0.0 -1.05
VII VIII X 62,000 -173
Lỏng VII X
43,000 >700

47,000 ~727
Lỏng VII Superionic ~40,000 ~1000
II.3. Những pha nước đá
Nước có nhiều pha rắn (nước đá). Có mười sáu loại hoặc pha tinh thể (nơi mà có
những nguyên tử oxy có vị trí cố định cân xứng với những nguyên tử khác nhưng những
nguyên tử hydro thì xắp xếp không có trật tự những tuân theo “quy tắc nước đá”) và có
ba dạng pha vô định hình (không tinh thể).
Tất cả những pha kết tinh của nước đá là có những phân tử nước liên kết hydro với
bốn phân tử nước lân cận. Trong các trường hợp này hai nguyên tử hydro là liên kết cộng
hóa trị với những phân tử nước để duy trì tính đối xứng và chúng tuân theo “quy tắc nước
đá”. Về phần thứ tự của những proton (ở vị trí cố định có entropy thấp hơn) xảy ra ở

những nhiệt độ thấp hơn, trong khi đó áp suất làm giảm khoảng cách giữa những ô thứ
hai lân cận (thể tích thấp hơn và lực Van der Waals lớn hơn).
Góc liên kết H-O-H trong pha nước đá thì nhỏ hơn góc tứ diện (109.47°), và nó
khoảng 107°.
Bảng 6. Những pha nước đá và những đặc điểm của nó [2]
Pha Đặc điểm
Nước đá vô định
hình
Nước đá vô định hình là nước đá không có cấu trúc tinh thể. Loại
nước đá này có ba dạng: Tỷ trọng thấp hay khối lượng riêng thấp
(LDA) được tạo ra ở áp suất khí quyển hay thấp hơn, tỷ trọng cao
(HDA) và nước đá vô định hình tỷ trọng rất cao (VHDA) hình
thành ở áp suất cao hơn. LDA hình thành bởi sự làm lạnh nước cực
kỳ nhanh ("hyperquenched glassy water", HGW) bằng cách phủ hơi
nước trên một nền rất lạnh (“nước rắn vô định hình”, ASW) hoặc
bởi sự gia nhiệt của nước đá tỷ trọng cao ở áp suất thường.
Nước đá Ih Nước đá kết tinh dạng lục phương thường. Hầu hết tất cả nước đá
trên sinh quyển của trái đất là nước đá Ih với một lượng nhỏ Ic.
Nước đá Ic Nước đá khác nhau của loại kết tinh lập phương không ổn định.
Những nguyên tử oxy được xắp xếp như trong cấu trúc kim cương,
ở nhiệt độ 130-150
o
K, và bền ổn định từ 200
o
K trở lên, khi nó
chuyển thành nước đá Ih thỉnh thoảng nó tồn tại ở tầng cao hơn khí
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 19
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
quyển.
Nước đá - II Một dạng tinh thể hình thoi với cấu trúc trật tự cao được hình thành

từ nước đá Ih bằng cách nén nó ở nhiệt độ190-210
o
K. Khi chịu gia
nhiệt nó chuyển thành dạng nước đá - III
Nước đá - III Một dạng tinh thể hình tứ diện, được hình thành bởi sự làm lạnh
nước đá xuống 250
o
K và 300 MPa, pha nặng ít nhất của áp suất cao
và nặng hơn nước.
Nước đá - IV Pha dạng hình thoi không ổn định. Không dễ dàng hình thành nếu
thiếu tác nhân tạo mầm.
Nước đá - V Một dạng pha tinh thể có ba trục không đồng đều, được hình thành
từ sự làm lạnh nước ở 253
o
K và 500 MPa. Hầu hết tất cả cấu trúc
đều phức tạp.
Nước đá - VI Một dạng pha tinh thể tứ diện, được tạo ra bằng cách làm lạnh nước
đến 270
o
K ở 1.1 GPa.
Nước đá - VII Một pha lập phương. Vị trí của nguyên tử hydro không trật tự.
Những liên kết hydrogen từ hai mạng lưới đan xen nhau.
Nước đá - VIII Một kiểu trật tự hơn nước đá VII, đó có liên kết hydro nắm lấy
những vị trí cố định, được hình thành từ nước đá – VII bằng cách
làm lạnh nó trên 5
o
C.
Nước đá - IX Một dạng pha tứ diện không ổn định, được hình thành từ làm lạnh
nước đá – III một cách từ từ từ 208
o

K đến 165
o
K, bền dưới 140
o
K
và áp suất giữa 200 – 400 MPa. Nó có tỷ trọng 1.16 g/cm³, nhẹ hơn
nước đá thông thường.
Nước đá - X Nước đá đối xứng trật tự proton hình thành khoảng 70 GPa.
Nước đá - XI Một dạng dao cân bằng nhiệt độ thấp của nước đá lục giác, nó chứa
hợp chất sắt.
Nước đá - XII Một pha tinh thể nặng của tứ diện không ổn định. Nó được quan sát
trong không gian pha nước đá V và nước đá – VI. Nó có thể tạo ra
bằng cách gia nhiệt nước đá vô định hình có tỷ trọng cao từ 77
o
K
đến 183
o
K ở 810MPa.
Nước đá - XIII Một pha tinh thể dạng ba trục không đồng đều, được tạo ra từ làm
lạnh nước dưới 130
o
K ở 500 MPa. Trật tự proton từ nước đá – V.
Nước đá - XIV Một pha tinh thể trực giao, được hình thành dưới 118
o
K ở 1.2 GPa.
Trật tự proton từ nước đá – XII.
Nước đá - XV Được dự đoán nhưng không chứng cứ chứng minh dạng trật tự
proton từ nước đá – VI, được tạo ra bằng làm lạnh nước đến xung
quanh 108-80
o

K ở 1.1 Gpa.
Bảng 7. Thông số cấu trúc của dạng nước đá đa hình
Dạng đa Khối lượng Protons
f
Tinh thể
h
Tính đối Hằng số Ghi chú
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 20
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
hình của
nước đá
riêng,
g cm
-3 a
xứng
điện
môi, ε
S
i
Nước đá lục
phương, Ih
0.92 0.926
Không
trật tự
Lục phương
P6
3
/m
mc
Một C

6
97.5
Nước đá lập
phương, Ic
0.93
q
0.933
Không
trật tự
Lập phương Bốn C
3

LDA, Ia
b
0.925
q

Không
trật tự
Không kết tinh
Được tạo ra bởi
hỗn hợp nhiều
loại.
HDA
c
1.17
Không
trật tự
Không kết tinh
Được tạo ra bởi

hỗn hợp nhiều
loại.
VHDA
d
1.25
Không
trật tự
Không kết tinh
II, nước đá -
II
1.17 1.195 Trật tự Giống hình thoi Một C
3
3.66
III, nước đá -
III
1.14 1.160
Không
trật tự
Tứ diện
P4
1
2
1
2
Một C
4
117
Những proton
trật tự một phần
IV, nước đá -

IV
1.27 1.275
Không
trật tự
Giống hình thoi Một C
3

Chưa ổn định
trong không gian
pha nước đá -V
V, nước đá -
V
1.23 1.233
Không
trật tự
Ba trục không
đồng đều
C2/c Một C
2
144
Những proton
trật tự một phần
VI, nước đá
-VI
1.31 1.314
Không
trật tự
Tứ diện
P4
2

/n
mc
Một C
4
193
Hai cơ cấu thâm
nhập đan xen
nhau
VII, nước đá
- VII
1.50 1.591
Không
trật tự
Lập phương Bốn C
3
150
Hai cơ cấu nước
đá Ic thâm nhập
đan xen nhau
VIII, nước 1.46 1.885 Trật tự Tứ diện I4
1
/a Một C
4
4 Nhiệt độ thấp
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 21
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
đá - VIII md
hình thành nước
đá - VII
IX, nước đá

- IX
1.16 1.160 Trật tự Tứ diện
P4
1
2
1
2
Một C
4
3.74
Nhiệt độ thấp
hình thành nước
đá - III, giả bền
trong không gian
nước đá - II
X, nước đá -
X
2.51 2.785 Đối xứng Lập phương Bốn C
3

Proton đối xứng
tạo thành nước
đá - VII
XI, nước đá
- XI
0.92 0.930 Trật tự Trực giao
Cmc2
1
ba C
2

Nhiệt độ thấp tạo
thành nước đá -
Ih
XI, nước đá
- XI
>2.51 Đối xứng Trực giao PBcm
Biến
dạng
Siêu ion hóa
Tính kim
loại
~12
o
Đối xứng,
O-H-O
Ba trục không
đồng đều
C2∕m Siêu ion hóa
XII, nước đá
- XII
1.29 1.301
Không
trật tự
Tứ diện Một C
4

Giả bền trong
không gian pha
nước đá V

XIII, nước
đá - XIII
1.23 1.247 Trật tự
Ba trục không
đồng đều
P2
1
/a Một C
2

Dạng trật tự của
pha nước đá - V
XIV, nước
đá - XIV
1.29 1.294
Phần lớn
trật tự
Trực giao
P2
1
2
1
2
1
Một C
4

Dạng trật tự của
pha nước đá -
VII

XV, nước đá
- XV
1.30 1.328 Trật tự
Pseudo- Trực
giao.
Một C
4

Dạng trật tự của
pha nước đá - VI
Hai dạng khác nhau của nước đá –XI được miêu tả bởi những nhóm nghiên cứu
khác nhau: (a) dạng áp suất cao (được biết đến nước đá – XIII) liên quan đến những
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 22
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
nguyên tử hydro khoảng cách bằng nhau giữa những nguyên tử oxy (giống nước đá – X)
trong cấu trúc đóng lại của biến dạng hình lục giác; trong khi đó (b) dạng nhiệt độ thấp,
áp suất thấp sử dụng để hợp nhất của hydroxide chất kích thích thể thao (trong khe ion
K
+
) để làm trật tự liên kết hydrogen của nước đá Ih, mặt khác nó xảy ra rất chậm.
Nước đá –X được miêu tả, là ở dạng proton trật tự của nước đá –VI; điều này bây
giờ được biết đến như dạng nước đá –XV.
Chỉ dạng nước đá lục phương –I (Ih), nước đá – III,nước đá – V, nước đá – VI, nước đá –
VII, và có lẽ, nước đá – X có thể được cân bằng với nước lỏng (nước đá – X với nước
siêu tới hạn), trong khi đó tất cả các dạng nước đá khác, bao gồm nước đá – II (II không
ổn định trong sự hiện diện của bất kỳ nhiệt độ và áp suất.
Nước đá nhiệt độ thấp, nước đá – II, nước đá –VIII, nước đá – IX, nước đá –XI
(dạng áp suất thấp), nước đá - XIII, nước đá - XIV, và nước đá - XV tất cả sở hữu (nước
đá – IX và nước đá - XIV không hoàn toàn) liên kết hydro trật tự entropy thấp ngược lại
những nước đá khác (ngoại trừ nước đá –X và nước đá –XI nơi có liên kêt hydro đặt đối

xứng và những phân tử nước không tồn tại riêng lẽ) liên kết hydro không có trật tự thậm
chí đạt xuống 0
o
K.
Cả nước đá – IV và nước đá – XII đều không ổn định trong không gian pha nước
đá –V. Nước đá dạng lập phương (Ic) thì không ổn định với nước đá lục phương (Ih). Nó
thì được nhấn mạnh rằng nước lỏng thì ổn định suốt không gian pha của nó. Tuy nhiên,
nước đá – VII dưới tia X với 9.7KeV bị phân tách thành hỗn hợp O
2
-H
2
tại áp suất cao
(>2.5 GPa) nhưng chuyển về trạng thái nước đá – VII gần với điểm nóng chảy tại 700
o
K
and 15 GP.
Một pha nước đá mới được báo cáo dựa trên những suy nghĩ về khía cạnh chất
lỏng siêu tới hạn của nước đá – VII ở áp suât cao với điểm ba xấp xỉ 700 K, 20 GPa với
nước lỏng siêu tới hạn, và nước đá – VII và khoảng 1500 K, 40 GPa với lỏng siêu tới hạn
và nước đá – X. Tuy nhiên trạng thái nước trong phần giản đồ pha thì chưa được rỏ ràng.
Một pha mới siêu ion với điểm ba xấp xỉ khoảng 1000 K, 40 GPa với nước lỏng
(siêu tới hạn và ion hóa) và nước đá –VII tại nhiệt độ cao (~1500
o
K), một pha ion hóa
một phần bao gồm những lớp của OH
-
và H
3
O
+

luân phiên nhau ở nhiệt độ thấp hay nhiều
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 23
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
pha chuyển thành một ở đó số phối trí của oxy tăng lên từ 4 đến 5 với sự gia tăng khối
lượng riêng đáng kể.
III. Giản đồ pha nước ở áp suất thấp
III.1. Nước đá dạng lục phương (Ih)
III.1.1. Một vài tính chất vật lý
Nước đá dạng lục phương (Ih) là tất cả các dạng tuyết tự nhiên và nước đá trên trái
đất, sáu nhóm đối xứng trong tinh thể nước đá được phát triển từ hơi nước (đó là hồ
tuyết).
Hình 9. Nước đá Ih
Nước đá lục phương (Nhóm không gian P6
3
/mmc, 194; đối xứng D
6h
, Laue đã
phân loại đối xứng 6/mmm; tương tự như β-tridymite silica or lonsdaleite) sở hữu cấu
trúc mở tỷ trọng thấp, nơi có hiệu quả đóng kín thấp (~1/3) khi so sánh với cấu trúc lập
phương đơn giản (~1/2) hoặc cấu trúc lập phương tâm mặt (~3/4) (và tương phản với cấu
trúc lập phương tâm mặt khép kín của chất rắn hydrogen sulfide).
Tinh thể bao gồm các lớp nằm trên đỉnh lẫn nhau. Cấu trúc đơn giản bao gồm một
hộp sáu cạnh nơi có những mặt phẳng bao gồm sáu cạnh dạng ghế, đối nhau) hoặc xáu
cạnh dạng thuyền (ba mặt phẳng đứng, đối nhau). Trong hình này liên kết hydrogen được
thể hiện ra có trật tự trong khi thực tế thì nó nằm ngẩu nhiên như những proton có thể di
chuyển giữa những phân tử nước đá khoảng ở trên 130
o
K.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 24
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học

Những phân tử nước đá có liên kết hydro đặt so le so với nguyên tử bên cạnh của
nó, trong mặt phẳng dạng ghế sáu cạnh. Phân tử lân cận thứ tư (thể hiện như những liên
kết dọc đối nhau) có liên kêt hydro được xắp xếp elip (che khuất).

Hình 10. Sai lệch của nước đá lục phương
Có một sự sai lệch nhỏ từ đối xứng lập phương lý tưởng như ô cơ sở thì ngắn hơn
0.3% theo hướng – c (trong hướng của liên kết hydro elip, thể hiện những liên kết dọc
trong hình).
Có không gian đủ phía trong mỗi hộp để giữ một phân tử nước ở trong khe hở.
Mặc dù điều này nhìn chung có thể không xảy ra nhưng những phân tử nước ở trong khe
thì gần đây được phát hiện ra bằng sự nhiễu xạ neutron của bột nước đá một cách hiệu
quả.
Nước đá lục phương có những điểm ba: nước lỏng và hơi nước (0.01 °C, 612 Pa);
nước lỏng và nước đá –III (-21.985 °C, 209.9 MPa); nước đá -II và nước đá –III (-34.7
°C, 212.9 MPa).
Hằng số điện môi của nước đá lục phương là 97.5.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 25