Báo cáo thí nghiệm Hóa Lý Cân bằng Lỏng Rắn

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HĨA LÝ
BÀI 2: CÂN BẰNG LỎNG – RẮN
I. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
- Nắm được nguyên tắc phương pháp phân tích nhiệt.
- Áp dụng qui tắc pha giải thích dạng các đường cong nguội lạnh.
- Thiết lập giản đồ “nhiệt độ - thành phần khối lượng” của hệ hai cấu tử
kết tinh khơng tạo hợp chất hóa học hay dung dịch rắn.
II. GIỚI THIỆU
Điều kiện cân bằng pha:
- Nhiệt độ: ở cân bằng, nhiệt độ của tất cả các pha phải bằng nhau
�� = �� = �� = . . . = ��

- Cơ học: ở cân bằng, áp suất tác động lên các pha phải bằng nhau
�� = �� = �� = . . . = ��

- Hóa học: ở cân bằng, hố thế của mỗi cấu tử trong tất cả các pha phải
bằng nhau
�

�

�

�

�

�

��1 = �1 = �1 = . . . = �1
��2 = �2 = �2 = . . . = �2

............................................
�

Quy tắc pha Gibbs:

�

�

��� = �� = �� = . . . = ��
c = k − f + n


Sự phụ thuộc của hệ cân bằng lỏng- rắn vào nhiệt độ được biểu diễn
bằng giản đồ pha

Hình 1. Giản đồ đường nguội nhiệt độ - thời gian (T – t) và nhiệt độ - thành
phần (T – x) của hệ kết tinh hai cấu tử A và B.

Trên hình 1: (1) ứng với 100% A; (6) ứng với 100% B; (2), (4), (5) ứng
với hỗn hợp có giá trị %B tăng dần, (3) ứng với hỗn hợp có thành phần
bằng đúng thành phần eutecti.
Trên đường (1) và (6) các đoạn thẳng nằm ngang ứng với quá trình kết
tinh A và B nguyên chất. Trên đường (2), (3), (4), (5) các đoạn nằm
ngang ứng với quá trình kết tinh eutectic, còn các điểm c, d, f ứng với
điểm bắt đầu kết tinh một cấu tử nào đó (trong hỗn hợp 2, 4, 5).
Trong thực nghiệm việc xác định điểm eutecti rất quan trọng nhưng lại
rất khó. Thường dùng phương pháp tam giác Tamman để xác định thành
phần eutectic – nếu điều kiện nguội lạnh hồn tồn như nhau thì độ dài

của đoạn nằm ngang (thời gian kết tinh) trên đường cong nguội lạnh sẽ tỉ
lệ với lượng eutectic. Như vậy nếu đặt trên đoạn AB thành phần và trên
trục tung là độ dài các đoạn nằm ngang của đường nguội lạnh tương ứng
nối các đầu mút lại, ta sẽ được tam giác AIB. Đỉnh I của tam giác ứng với
thành phần eutecti. Tam giác AIB gọi là tam giác Tamman.


- Từ số liệu thực nghiệm T – t (nhiệt độ - thời gian) ta vẽ các đƣờng
cong nguội có dạng như đường (1)

(6).

- Ta xác định các điểm gãy khúc (các điểm chuyển pha) trên giản đồ T
– t của các đường nguội.
- Vẽ giản đồ T – x (nhiệt độ - thành phần) theo của nhiệt độ - thành
phần cho các dung dịch thí nghiệm.
- Dựng các đường thẳng song song trục tung trên giản đồ T – x.
- Từ điểm gãy khúc trên giản đồ T – t , ta vẽ các đường thẳng song
song trục hoành, các đường này cắt các đường song song trục tung trên
giản đồ T – x tại các giao điểm.
- Nối các giao điểm này lại ta có đường aed.
- Xác định nồng độ eutectic dựa vào tam giác Tamman.
III.THỰC NGHIỆM
a. Hóa chất và dụng cụ
Bảng 1. Hóa chất và dụng cụ

Dụng cụ

Số lượng

Hóa chất

Ống nghiệm

8

Hỗn hợp Naphthalene –

Bếp điện

1

Diphenylamine đã pha

Nhiệt kế rượu 100oC

8

Đũa khuấy vòng

8

Becher 500mL

1

Chậu nhựa

1

Nút cao su

8

sẵn theo đúng thành phần
trong bảng.

Số lượng

8 ống


Bảng 2. Thành phần hỗn hợp Naphthalene - Diphenylamine trong ống nghiệm

Ống nghiệm

1

2

3

4

5

6

7

8

Naphthalene

10

8

6

4.5

3

2.5

1

0

Diphenylamine

0

2

4

5.5

7

7.5

9

10


b. Quy trình thí nghiệm

Hình 2. Quy trình tiến hành thí nghiệm

Chú ý : Q trình đun nóng ống nghiệm là đun cách thủy


IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
a. Kết quả thí nghiệm
Bảng 3. Kết quả ghi nhiệt độ thay đổi của hỗn hợp trong 8 ống nghiệm

Nhiệt độ

Thời
gian

Ống

Ống

Ống

Ống

Ống

Ống

Ống

Ống

1

2

3

4

5

6

7

8

1

84

77

76

72

66

82

86

73

2

81

71

70

69

63

76

80

69

3

80

70

65

62

61

66

74

65

4

79

70

63

60

56

62

70

60

5

79

69.5

58.5

58

52

58

65

55

6

78.5

69

58

52

48

57.5

60

53.5

7

78

68

57

50

45

53.5

59.5

53

8

77.5

67

56.5

49

43

50

55

52.5

9

76.5

65.5

56

46

41

47

53

52

10

75.5

64

55

46

37

44.5

51

51

11

74.5

62

54

45

33

43

48

50

12

53

44.5

41

48

50

13

51

44

38

47

50

14

49.5

43

33

46.5

(phút)


15

49.5

42.5

32.5

45

16

48

41

44.5

17

47

40.5

42

18

45

36

41

19

40

20

40

* Nhiệt độ in đậm: là nhiệt độ xuất hiện vết tinh thể.
b. Kết quả tính
Bảng 4. Nhiệt độ kết tinh theo thành phần của Diphenylamine

Ống
Thành phần (%)
Diphenylamine
Nhiệt độ (oC)

1

2

3

4

5

6

7

8

0

20

40

55

70

75

90

100

80

71

58.5

46

37

33

47

53.5

Hình 3. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 1

Hình 4. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 2

Hình 5. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 3


Hình 6. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 4


Hình 7. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 5

Hình 8. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 6


Hình 9. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 7

Hình 10. Đồ thị nhiệt độ - thời gian (đường cong nguội lạnh) của ống 8


Hình 11a. Đồ thị nhiệt độ - thành phần của hệ diphenylamine – naphthalene

Hình 11b. Đồ thị nhiệt độ - thành phần của hệ diphenylamine – naphthalene

Nhận xét:
- Theo đồ thị hình 11a, ta thấy nhiệt độ Etectic là 33oC.
- Thành phần Etectic của hệ là 75% Diphenylamine và 25% Naphthalene.

- Trong hình 11b, đường cong AE là đường kết tinh của rắn
Diphenylamine, mô tả cân bằng giữa rắn Diphenylamine và dung dịch
bão hòa Diphenylamine, thể hiện sự hòa tan của rắn Diphenylamine vào
nhiệt độ. Đường cong DE là đường kết tinh của Naphthalene, mô tả cân
bằng giữa rắn Naphthalene và dung dịch bão hòa Naphthalene, thể hiện
sự hòa tan của rắn Naphthalene vào nhiệt độ.
- Vùng phía trên đường AED, là hệ lỏng tồn tại ở dạng đồng thể 1 pha
c=1-1+2=2
- Vùng phía dưới đường AED, là hệ dị thể gồm hai pha Diphenylamine
rắn và Naphthalene rắn.
c=2-2+2=2
- Khi điểm pha lỏng đạt điểm eutectic, dung dịch bão hòa cả hai cấu tử, từ
đó 2 chất rắn đồng thời kết tinh (cho đến khi toàn bộ trở thành rắn), trong
giai đoạn đó hệ bao gồm ba pha cân bằng có c = k – f + 1 = 2 - 3 +1 = 0
- Có thể tính lượng được hai cấu tử trong giản đồ bằng các quy tắc đường
thẳng liên hợp, quy tắc đòn bẩy, quy tắc liên tục.
c. Các khó khăn gặp phải trong q trình thực nghiệm và biện pháp
khắc phục:
- Đun nóng quá lâu làm chất rắn thăng hoa bám vào thành ống, cho nên

khi hỗn hợp vừa chảy lỏng hồn tồn thì tiến hành thí nghiệm, không nên
đun quá lâu.
- Lắp nhiệt kế thẳng đứng để nhìn và bầu nhiệt kết phải ngập trong dung
dịch để được kết quả chính xác.
- Khơng rút ống nghiệm ra ngay mà phải rút ống nghiệm từ từ khi thành
phần trong ống nghiệm đã tan để tránh gãy ống nghiệm.
V. TRẢ LỜI CÂU HỎI

1. Có kết luận gì về việc thay đổi nhiệt độ kết tinh của quá trình kết tinh
hệ một cấu tử và hệ hai cấu tử ?
Đường nguội (hay đường kết tinh) của 1 cấu tử nguyên chất gồm những
nhánh gần như dốc thẳng đứng, chứng tỏ có sự nguội khá nhanh, khi tới
nhiệt độ kết tinh thì có một đoạn thẳng ngang chứng tỏ nhiệt độ khơng
đổi; đó là do có nhiệt kết tinh được tỏa ra bù vào chỗ mất nhiệt do nguội
tự nhiên, kết quả là cấu tử đó kết tinh ở nhiệt độ khơng đổi (dưới áp suất
ngồi khơng đổi). Sau khi đã kết tinh xong thì nhiệt độ mới lại tiếp tục hạ
thấp, do đó lại có một nhánh dốc, nhưng kém dốc hơn nhánh đầu tiên.
Đối với hỗn hợp hai cấu tử theo thành phần khác nhau, những đường
nguội thoạt đầu cũng như một nhánh dốc gần thẳng đứng (nguội nhanh),
khi tới nhiệt độ bắt đầu kết tinh thì nguội chậm lại do có nhiệt kết tinh ở
nhiệt độ không đổi, điều này được phản ánh trên đường nguội bằng một
nhánh dốc ít hơn so với nhánh đầu tiên. Sự kết tinh từ dung dịch sẽ cho
tinh thể nguyên chất nào hoặc cả hai tinh thể cùng một lúc là tùy thuộc
vào thành phần của mỗi cấu tử trong dung dịch so với thời điểm eutectic
của hệ.
2. Hỗn hợp eutectic là gì ? Ứng dụng ?
Hỗn hợp eutectic là một hỗn hợp đồng nhất của các chất tan chảy hoặc
hóa rắn ở nhiệt độ thấp hơn điểm nóng chảy của một trong hai thành phần.
Các lồi ngun tử hoặc hóa học riêng biệt tạo thành một mạng tinh thể
siêu liên kết, bằng cách tạo ra tỷ lệ phần trăm nguyên tử duy nhất giữa
các thành phần – vì mỗi thành phần ngun chất có cách sắp xếp mạng
tinh thể riêng biệt. Chỉ trong tỷ lệ nguyên tử hoặc phân tử này, hệ thống
eutectic tan chảy toàn bộ, ở nhiệt độ cụ thể (nhiệt độ eutectic). Mạng siêu
giải phóng cùng một lúc tất cả các thành phần của nó thành hỗn hợp lỏng.
Nhiệt độ eutectic là nhiệt độ nóng chảy thấp nhất trong tất cả các tỷ lệ
pha trộn cho các thành phần liên quan.

Khi đun nóng, bất kỳ tỷ lệ hỗn hợp nào khác và đạt đến nhiệt độ
eutectic – mạng tinh thể của một thành phần sẽ tan chảy trước, trong khi
nhiệt độ của hỗn hợp phải tăng thêm cho (tất cả) mạng tinh thể khác tan
chảy. Ngược lại, khi hỗn hợp không eutectic nguội đi, mỗi thành phần
hỗn hợp sẽ đông cứng (tạo thành mạng tinh thể) ở nhiệt độ riêng biệt, cho
đến khi hỗn hợp ở trạng thái hóa rắn.
Hỗn hợp eutectic có khá nhiều ứng dụng trong thực tế, trong luyện kim
và trong nhiều lĩnh vực khác.
Ví dụ ta muốn có “thiếc hàn” nóng chảy ở nhiệt độ thấp, người ta trộn
thiếc (tnc = 232oC) và chì (tnc= 327oC) theo các thành phần thích hợp sẽ
thu được các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 200oC.