Công nghệ hóa, thực phẩm - Chương 2: Giản đồ nóng chảy của các hệ bậc 2 ngưng kết

Giản đồ pha 1
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/1000molhoặc % khối lượng, % mol (nguyên tử,
phân tử)
nvhoa102@yahoo.com
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha 2
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.
nvhoa102@yahoo.com
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha 3nvhoa102@yahoo.com
 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)
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha 4nvhoa102@yahoo.com
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
% Khoái löôïng B
A B
B
T
T
A
o
t
20 40 60 80 100
% Khoái löôïng A
P T
P
Giản đồ pha 5nvhoa102@yahoo.com
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.
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 6
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
L L L
L+R L+R
L+R
R R
L+R +R R + R
(1) (2) (3)
1 2 1 2
1
Thôøi gian
t
o

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 nvhoa102@yahoo.com 7
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.
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
L+A
3
A+B
2
1
L+A
L+A+B
L
L L
t
o
4
5
E
x x x x BA
1 2 3
4 5
T
C
C
A
1 2 3 4 5
x
A
L
L+A
L+A+B
A+B
L
L+B
L+A +B
A+B
L+A+B
A+B

Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 8
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:
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
P
%B
B
M
x
NM
x
P
A
o
t
N
x
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 9
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.
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 10
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)
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 11
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.
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 12
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.
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
(a) – xen kẽ (b) – thay thế
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 13
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
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
M2''
x x
3'A
x
T
A
t
o
1'
Bx
2'
x
3'
1'
2''
2'
M
3
1
s
B
T
L+ 
L
x
1
3
M
L+ 
L

(a) (b)
T2
T1
T3
2
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 14
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Các kiểu giản đồ:
Ví dụ:
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 15
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 nvhoa102@yahoo.com 16
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 17
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
N
N
C
4 4'
Q
A x
1
3
x
A+B
E
T
1'
2''
L+B
A
o
t
1
M
2'
5
L
D
Q
x B
L+A
2
B
T
L
L
L
L+A
L+B
A+B A+B
1
3 5
4
L+A+B L+A+B L+A+B

Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 18
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 nvhoa102@yahoo.com 19
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:
 Hệ từ M 1
 Hệ từ 1 3
 Hệ tại điểm E
 Hệ từ 3 xM
b. Hỗn hợp N:
 Hệ chuyển từ
N E
 Hệ tại điểm E
 Hệ chuyển từ
E xN
c. Hỗn hợp Q:
 Hệ từ Q 4
 Hệ từ 4 5
 Hệ tại điểm E
 Hệ từ 6 xQ
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 20
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 nvhoa102@yahoo.com 21
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 22
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 nvhoa102@yahoo.com 23
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
E
1
A+A B
m n
E
2
B+A B
m n
L+
A B
m n L+B
L+
A B
m n
L
+A
A B
C
G
T
Tt
ML
F
o
A
%
B
A B
m n
b. Các yếu tố hình học
 Điểm
 Đường
 Vùng
D
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 24
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.
X
% B
E
x
P
x
m
A B
n
Nx
L+A B
m n
A+A B
A
m n
C
1
T
A
B+A B
m
B
n
L+B
Q
o
t
L
N
B
T
1
,
M
,
P
2 M
L+A
M
x
D3E
N
L
1
2
3
L+ B
L+A B
m n
A+A B
m n
L+B+A Bm n
n
L+A+A B
m
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 25
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 nvhoa102@yahoo.com 26
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
c. Tính toán lượng các pha tạo thành
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 27
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
5. GIẢN ĐỒ HỆ TẠO THÀNH DUNG DỊCH
RẮN KHÔNG LIÊN TỤC
Khi nóng chảy các cấu tử A và B hòa tan tạo thành 1
dung dịch lỏng, còn khi kết tinh chúng hòa tan hạn
chế vào nhau tạo thành vài dãy dung dịch rắn.
5.1. Trường hợp tạo thành ơtecti
a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học
 Điểm ơtecti E
 Đường cong
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 28
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
 Vùng pha
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 29
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
b. Khảo sát quá trình kết tinh
 Hỗn hợp M:
 Hệ từ M 1
 Hệ từ 1 2
 Hệ từ 2 3
 Hệ từ 3 xM
 Hỗn hợp N:
 Hệ từ N 5
 Hệ từ 5 6
 Hệ nằm nguyên tại 6
 Hệ từ 6 xN
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 30
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
c. Tính toán lượng các pha tạo thành của hệ N tại B, riêng
E và C
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 31
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
5.2. Trường hợp tạo thành peritecti
a. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học
t
T
C
A
P
o
M
G
T
B
D
F
N
2
1"
L+
X
3
 
C
x
4
X
L+ 
5
3"

5'
1
L
x x x x
M D N P
M
N
L
1
L+ 
2
 
L
L+ +
L+

3
4
5
L+ +

L+ 
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 32
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Điểm peritecti P (hay điểm chuyển P)
b. Khảo sát quá trình kết tinh
 Hỗn hợp M:
 Hệ từ M 1
 Hệ nằm nguyên tại 2
 Hệ từ 2 xM
 Hỗn hợp N:
 Hệ từ N 3
 Hệ từ 3 4
 Hệ nằm nguyên tại 4
 Hệ từ 4 5
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 33
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 34
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
6. GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY HỆ PHÂN LỚP (Ở
TRẠNG THÁI LỎNG)
Các cấu tử hòa tan hạn chế vào nhau khi nóng chảy. Khi kết
tinh, pha rắn tách ra có thể là cấu tử nguyên chất, hợp chất
hóa học hoặc dung dịch rắn.
6.1. Dạng giản đồ và các yếu tố hình học
Đường cong lưỡng phân FKG (đường bảo hòa giới hạn)
Điểm K trên đường cong này được gọi là điểm tới hạn và
nhiệt độ tương ứng điểm K được gọi là nhiệt độ tới hạn.
Đường thẳng nằm ngang monotecti FGH
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 35
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 36
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
6.2. Khảo sát quá trình kết tinh hỗn hợp M:
 Hệ từ M 1
 Hệ từ 1 3
 Hệ tại 3
 Hệ từ 3 4
 Hệ tại 4
 Hệ từ 4 xM
Giản đồ pha nvhoa102@yahoo.com 37
CHƯƠNG 2 – GIẢN ĐỒ NÓNG CHẢY CỦA CÁC HỆ BẬC 2 NGƯNG KẾT
 Hình trang 34