Bài giảng hóa lý 1 chương 3 nguyễn thị tuyết mai

LOGO

HÓA LÝ I

TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai

Bộ mơn Hóa lý, Viện Kỹ thuật Hóa học
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Email:

1

Chương 3. SỰ CHUYỂN PHA TRONG HÓA LÝ I
HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

1. Sự chuyển pha loại một
2. Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ chuyển pha

Phương trình Clausius Clapeyron I
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất hơi bão hòa

Phương trình Clausius Clapeyron II
4. Giản đồ pha hệ một chất nguyên chất

2 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

Câu hỏi thảo luận

1. Tại sao khi nấu ăn trên núi thức ăn lâu chín hơn so với khi

nấu ở vùng đồng bằng ?

2. Tại sao nấu trong nồi áp suất thì đồ ăn nhanh chín hơn ?

3. Làm cách nào để sấy khô vật chất (đường, muối, thức ăn,
trái cây, tinh dầu…) mà khơng làm nóng chảy/phân hủy
chúng ?

3

1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I

CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

V  CP

Chuyển pha loại 1

(thường gặp: nóng chảy,

kết tinh, ngưng tụ, bay hơi)

Chuyển pha loại 2

(KL thông thường →chất
siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
Fe thuận từ → Fe nghịch từ)

Nhiệt độ

Chuyển pha loại 1: thay đổi nhảy vọt các thông số nhiệt động

4 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I

CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Hệ 1 chất nguyên chất:

• Khí/lỏng: 1 pha (trừ He lỏng)

• Rắn: có thể có nhiều pha (số pha = số dạng thù hình)

• Sự chuyển pha: chuyển đổi giữa các trạng thái tập hợp

 thay đổi đột ngột những tính chất của hệ (khối lượng riêng,
nhiệt dung, thể tích, hiệu ứng nhiệt…)

• Cân bằng pha trong hệ 1 chất nguyên chất: cân bằng giữa

các trạng thái tập hợp của chất đó TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
5

1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I

CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Áp dụng quy tắc pha Gibbs:
Bậc tự do C = k - f + 2
C=3-f
C0f3
 số pha lớn nhất có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng: 3

6 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

1. Sự chuyển pha loại 1 HÓA LÝ I

CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

C= 3 -f
f=1C=2
Hệ 1 pha, P và T có thể thay đổi tùy ý (trong một giới hạn xác định) mà hệ
vẫn tồn tại ở dạng 1 pha.
f=2C=1
Hệ 2 pha, nhất biến, khi 1 thơng số thay đổi thì thơng số cịn lại phải thay đổi
theo: T = f(P) hoặc P = f(T)
f=3C=0
Chỉ tồn tại cân bằng của 3 pha trong 1 điều kiện bên ngoài hoàn toàn xác
định (P và T =const)

7 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

A () ↔ A ()
f = 2  c = 1  T = f(P)
Điều kiện cân bằng pha ở T=const và P=const:

 = 
Chất nguyên chất:  = G  G = G
Khi có thay đổi P → P + dP thì T → T + dT
Hệ thiết lập CB mới: G + dG = G + dG

Mà G = G  dG = dG TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
8

2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Phương trình T (K); V (L/mol);
Clausius – Clapeyron I  (atm.L/mol)

9 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUN CHẤT

Q trình sơi (hóa hơi): V=(Vh – Vl)>0; hh>0  dT  0 P tăng  Ts tăng

dP

Q trình nóng chảy: V=(Vl - Vr)>0; nc>0  dT  0  P tăng  Tnc tăng

dP

Riêng trường hợp nước: V= (Vl - Vr)<0; nc>0  dT  0  P tăng  Tnc giảm

dP

T (K); V (L/mol);
 (atm.L/mol)

10 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

2. Ảnh hưởng của áp suất tới HÓA LÝ I
nhiệt độ chuyển pha
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Ví dụ:

d (phenol,l) = 1,056 g/ml

d (phenol,r) = 1,072 g/ml

nc (phenol) = 104,35 J/g
Tnc,1atm = 41 oC

Tính nhiệt độ nóng chảy của phenol ở 500 atm.

(1 J = 0,00987 atm.L)

Đs: Tnc,500atm = 43 oC TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
11

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Á▪ p suất hơi bão hịa ?

Phương trình Clausius – Clapeyron II
(mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến ASHBH)

12 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Ví dụ: bài thí nghiệm “Áp suất hơi bão hòa” TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
13

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới HÓA LÝ I
áp suất hơi bão hòa
CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT


Tính tốn gần đúng các thơng số nhiệt động (P, Ts,  …)

VD:
Tính Ts của nước ở 2 atm biết nhiệt hóa hơi là 538,1 cal/g
ĐS: Ts,2atm = 120,9 oC

14 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới PHYSICAL CHEMISTRY I
áp suất hơi bão hòa
PHASE EQUILIBRIUM OF PURE SUBSTANCES

Bài tập:

Axeton có áp suất hơi bão hòa ở các nhiệt độ 306 K
và 320 K lần lượt là 346 mmHg và 556 mmHg. Hãy
xác định nhiệt hóa hơi và nhiệt độ sơi của axeton.
(Coi nhiệt hóa hơi là hằng số).

ĐS : Ts = 326 K = 56 oC

15 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

HÓA LÝ I

4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Giản đồ pha bao gồm:
- Các điểm
- Các đường
- Các mặt
- Các vùng

16 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

HÓA LÝ I

4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Điểm sôi – nhiệt độ sơi:

Chất lỏng được làm nóng trong 1 bình hở, khi áp suất hơi trên bề mặt
chất lỏng = áp suất ngồi → hiện tượng sơi

Nhiệt độ tại đó gọi là nhiệt độ sơi (Ts)

Pbh = Pngồi = 1 atm → nhiệt độ sơi thơng thường

Pbh = Pngồi = 1 bar → nhiệt độ sôi tiêu chuẩn

1 bar = 0,987 atm → Ts thông thường > Ts tiêu chuẩn

VD: Ts thông thường của nước: 100 oC

Ts tiêu chuẩn của nước: 99,6 oC TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN

17

HÓA LÝ I

4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Điểm tới hạn:
Khi mật độ pha hơi = mật độ pha lỏng → Bề mặt phân cách pha biến mất
→ Điểm tới hạn
→ Nhiệt độ tới hạn (Tc)
→ Áp suất tới hạn (Tc)

Từ điểm tới hạn trở lên: chỉ còn 1 pha tồn tại gọi là pha lỏng siêu tới hạn
(điền đầy bình chứa, khơng có bề mặt phân cách)

TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN
18

HÓA LÝ I

4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Điểm tới hạn:
▪ Ở T < Tc: tăng P
→ pha H ngưng tụ thành pha L
▪ Ở T  Tc: tăng P
→ thu được chất lỏng siêu tới hạn

19 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai

Hóa Lý, ĐHBKHN

HÓA LÝ I

4. Giản đồ pha hệ 1 chất nguyên chất CHƯƠNG 4. CB PHA HỆ 1 CHẤT NGUYÊN CHẤT
Điểm nóng chảy:
Ở P xác định, 2 pha L và R cùng tồn tại, nằm cân bằng với nhau
→ Nhiệt độ nóng chảy (Tnc) = Nhiệt độ kết tinh (Tkt)

20 TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
Hóa Lý, ĐHBKHN