Bài giảng Giản đồ pha: Chương 2 - Nguyễn Văn Hòa

CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT CÓ
CHỨA PHA RẮN VÀ GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY
1.1. Khái niệm chung về các hệ bậc 2
 Hệ bậc 2 là những hệ gồm 2 cấu tử. Bao gồm: hệ lỏng –
lỏng; hệ rắn–hơi; hệ rắn–lỏng; hệ rắn–rắn; hệ lỏng–hơi.
 Biểu thức quy tắc pha có dạng: T = 2 – P + 2 = 4 – P

 Thành phần của các hệ bậc 2 được biểu diễn: lượng cấu
tử này đối với lượng nhất định cấu tử kia. Ví dụ: g/100g;
số mol/1000mol…hoặc % khối lượng, % mol (nguyên tử,
phân tử)…
Giản đồ pha



1


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

1.2. Khái niệm về các hệ bậc 2 ngưng kết có chứa
pha rắn và giản đồ nóng chảy
 Là những hệ trong đó các quá trình hóa học thường xảy
ra ở những điều kiện áp suất thực tế không thay đổi
(thường ở áp suất khí quyển).
 Tính chất vật lý được sử dụng: nhiệt độ nóng chảy.
 Thông số trạng thái: thành phần của 1 trong 2 cấu tử và
nhiệt độ.
 Giản đồ trạng thái như vậy được gọi là giản đồ nóng chảy

và được biểu diễn trên tọa độ mặt phẳng.
Giản đồ pha



2


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

 Quy tắc pha trong trường hợp này có dạng:

T=2–P+1=3–P
Khi Tmin = 0 thì Pmax = 3; Khi Pmin = 1 thì Tmax = 2

1.3. Phương pháp biểu diễn và xây dựng giản đồ
nóng chảy của hệ bậc 2
a. Phương pháp biểu diễn
 Biểu diễn trên hệ tọa độ mặt phẳng, trong đó:
• Trục hoành biểu diễn thành phần hỗn hợp (trục thành phần)

• Trục tung biểu diễn nhiệt độ (trục nhiệt độ)
Giản đồ pha



3


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

to
TA

TB
P

TP

A
20

40

60

80 100

B

% Khoái löôïng B
% Khoái löôïng A
Giản đồ pha



4


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

b. Phương pháp thực nghiệm xây dựng giản đồ
nóng chảy
 Phương pháp chính để xây dựng giản đồ nóng chảy là
phân tích nhiệt. Cơ sở của phương pháp:
- Xây dựng các đường cong nguội và nóng chảy các
hỗn hợp của hệ khảo sát.

- Từ những số liệu thu được xây trên các đường cong
này xây dựng giản đồ nóng chảy của hệ khảo sát.

Giản đồ pha



5


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

t

o

L

L

L
L+R

L+R

L+R1
R

R
(1)

(2)

L+R 1+R2 R + R
1
2
(3)
Thôøi gian 

Đường cong nguội (1) – chất nguyên chất; (2) – dung dịch
rắn liên tục; (3) – hỗn hợp cơ học gồm 2 cấu tử.
Giản đồ pha



6


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

t

L
L+A

o

TA

1
2

A x1 x
2

L

5
3

C

L

L

L

L+A
4

C

E
x3 x

4

x

5

B

A
L+A+B
1

L+B
L+A+B

L+A
L+A+B
A+B
2

3

A+B

L+A +B
4

A+B

5

A+B



Ngoài phương pháp phân tích nhiệt người ta còn dùng thêm
các phương pháp vi cấu trúc và phân tích cấu trúc bằng tia X
kết hợp khảo sát để tăng độ chính xác trong xây dựng giản
đồ nóng chảy.
Giản đồ pha



7


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

1.4. Quy tắc đòn bẩy
Khi trộn lẫn m phần khối lượng
của hỗn hợp có thành phần biểu
diễn bằng điểm M với n phần khối
lượng của hỗn hợp có thành phần
biểu diễn bằng điểm N thì thành
phần của hỗn hợp tổng cộng sẽ
được biểu diễn bằng điểm P chia

đoạn thẳng MN theo tỉ lệ như sau:

t

o

A

M

P

N

xM

xP

xN

B

%B
Giản đồ pha



8

CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

Từ quy tắc đòn bẩy rút ra:

 Khi từ hệ toàn phần tách ra thành 2 hệ riêng phần nằm
cân bằng với nhau ở nhiệt độ nhất định thì các điểm biểu
diễn hệ toàn phần và 2 hệ riêng phần phải nằm trên 1
đường thẳng, trong đó điểm biểu diễn hệ toàn phần phải
nằm giữa 2 điểm biểu diễn hệ riêng phần và chia đường
thẳng đó thành 2 phần theo tỉ lệ nhất định.
 Để xác định tỉ lệ khối lượng hoặc khối lượng tuyệt đối
của các pha tạo thành cần đo chiều dài các đoạn thẳng
phân chia đã nói rồi dùng quy tắc đòn bẩy tính toán.
Giản đồ pha



9


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

1.5. Các loại hệ bậc 2 ngưng kết (có chứa pha rắn)

 Hệ tạo thành dung dịch rắn liên tục (loại I)
 Hệ tạo thành hỗn hợp ơtecti đơn giản (loại II)
 Hệ tạo thành hợp chất hóa học (loại III):
 Hệ tạo thành dung dịch rắn không liên tục (loại IV)
 Hệ phân lớp (loại V)

Giản đồ pha



10


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

2. GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH
DUNG DỊCH RẮN LIÊN TỤC
2.1. Khái niệm về dung dịch rắn
 Dung dịch rắn là chất tinh thể có mạng tinh thể cấu tạo từ
2 hay nhiều chất do các tiểu phân chất tan xâm nhập vào
mạng tinh thể dung môi tạo thành một pha tinh thể đồng
nhất có thành phần thay đổi.
 Có 2 loại dung dịch rắn chính: xen kẻ (a) - là loại dung
dịch rắn không liên tục và thay thế (b) - có thể là dung
dịch rắn liên tục hoặc không liên tục.
Giản đồ pha



11


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

(a) – xen kẽ

(b) – thay thế

Điều kiện tạo thành dung dịch rắn: các cấu tử phải gần nhau
về tính chất hóa học, kích thước và kiểu mạng tinh thể.

Giản đồ pha



12


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

2.2. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học

a. Dạng giản đồ
b. Các yếu tố hình học: Đường cong; Vùng pha
to

M
x
L

T2

A
Giản đồ pha

2

3'

TA

TB

1

2''

L+

M

s

2'

1'

T1

L
1

L+

T3

3

3




x 3'

x 2'' x M x x B
2' 1'
(a)



(b)
13


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

Các kiểu giản đồ:

Ví dụ:

Giản đồ pha



14

CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

c. Khảo sát quá trình kết tinh
Xét quá trình kết tinh khi làm lạnh hỗn hợp lỏng M:
• Hệ từ M  1

• Hệ từ 1  3
• Hệ từ 3  xM

d. Tính lượng các pha tạo thành trong quá trình kết
tinh dung dịch rắn 
Ví dụ: Tính lượng pha lỏng L và rắn  tạo thành ở
nhiệt độ 13000C của 100 kg hỗn hợp chứa 53% Ni.
Giản đồ pha



15


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

Giản đồ pha



16

CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

3. GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH
HỖN HỢP ƠTECTI ĐƠN GIẢN
3.1. Dạng giản đồ
to

N

M

TA
2

2''

L

L

1

1'

Q

2'

4

L+A

C

L+B
E

3

4'

TB

D

5

1

L
L+A
3

L+A+B

x1

Giản đồ pha

xN

4

L+A+B

xQ

L+B
L+A+B
5

A+B

A+B
A

L

A+B

B




17


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

3.2. Các yếu tố hình học
Giản đồ có 3 loại yếu tố hình học: điểm, đường và vùng.
 Điểm E: được gọi là điểm ơtecti, nó là yếu tố điểm duy
nhất với nhiệt độ bắt đầu kết tinh thấp nhất của hệ, gọi nó
là nhiệt độ ơtecti.
 Đường: gồm có đường cong lỏng TAETB và đường thẳng
rắn nằm ngang CED.
 Vùng: có 4 vùng pha. Vùng nằm trên đường cong lỏng là
vùng 1 pha lỏng L. Vùng nằm dưới đường thẳng rắn là
vùng 2 pha rắn A và B. Hai vùng nằm giữa các đường
lỏng và rắn là những vùng 2 pha, gồm 1 lỏng và 1 rắn:
vùng TACE tương ứng L+A, vùng TBDE tương ứng L+B
Giản đồ pha



18


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

3.3. Khảo sát quá trình kết tinh
a. Hỗn hợp M:

b. Hỗn hợp N:

c. Hỗn hợp Q:

 Hệ từ M  1

 Hệ từ Q  4

 Hệ từ 1  3

 Hệ chuyển từ
NE

 Hệ tại điểm E

 Hệ tại điểm E

 Hệ tại điểm E

 Hệ từ 3  xM

 Hệ chuyển từ
E  xN

 Hệ từ 6  xQ

Giản đồ pha



 Hệ từ 4  5

19

CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

3.4. Tính toán lượng các pha tạo thành trong quá
trình kết tinh
Ví dụ: Tính toán khối lượng các pha tạo thành trong quá
trình kết tinh 100 kg hỗn hợp M của hệ bậc 2 KCl – LiCl.
 Tính khối lượng KCl kết tinh từ pha lỏng ở nhiệt độ
5000C

 Tính khối lượng KCl thu được vào cuối quá trình kết tinh
KCl
 Tính khối lượng rắn ơtecti thu được vào cuối quá trình
kết tinh ơtecti
Giản đồ pha



20


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

Giản đồ pha



21


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

4. GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY HỆ TẠO THÀNH
HỢP CHẤT HÓA HỌC
4.1. Giản đồ nóng chảy hệ tạo thành hợp chất
tương hợp
a. Dạng giản đồ
Các cấu tử A và B hòa tan hoàn toàn vào nhau khi nóng chảy,
khi kết tinh từ pha lỏng chúng tương tác với nhau tạo thành
hợp chất AmBn nóng chảy không bị phân hủy. Hợp chất này
lại đóng vai trò 1 cấu tử và tạo với A, B các hỗn hợp ơtecti.
Giản đồ pha



22


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

b. Các yếu tố hình học
 Điểm

to

TB
L

 Đường

 Vùng

TA
L
C +A

M
F

E

L+
AmBn

L+
AmBn

D

Giản đồ pha

E

2

1

A+A mB n
A

G

L+B

B+A mB n
AmBn



B
%

23


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

4.2. Giản đồ nóng chảy hệ tạo thành hợp chất
không tương hợp
a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học
Hợp chất hóa học AmBn tạo thành bị phân hủy khi nóng chảy.
N

to

X

L
1

TA

P
L+A

C

M

, L+B

2

M

3

D

1

N
L

,

Q

1
2

L+AmBn
E

A+AmBn
A

TB

A m Bn
xE

x P x N xM

L+ B

3

L+B+A mB n
L+A mBn

L+A+Am B n
A+Am Bn

B+AmBn
B



%B

Giản đồ pha



24


CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT

Điểm cực đại ẩn M’

Điểm P
Đường thẳng nằm ngang peritecti PMQ
b. Khảo sát quá trình kết tinh hỗn hợp N
 Hệ từ N  1
 Hệ từ 12
 Hệ xảy ra tại P
 Hệ từ 2  3

 Hệ xảy ra tại E
Giản đồ pha



25