Bài giảng Chương 6: Dung dịch và cân bằng lỏng - hơi

Chia sẻ: Hoàng Phúc Đẹp Trai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

297
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đại cương về dung dịch, sự hòa tan của khí trong chất lỏng, sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng và cân bằng dung dịch, hơi là những nội dung chính trong bài giảng chương 6 "Dung dịch và cân bằng lỏng - hơi". Hy vọng nội dung bài giảng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương 6: Dung dịch và cân bằng lỏng - hơi

CHƯƠNG 6 Nội dung DUNG DỊCH 6.1. Đại cương về dung dịch VÀ CÂN BẰNG LỎNG - HƠI 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.3. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng và cân bằng dung dịch - hơi 1 2 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.1. Định nghĩa 6.1.1. Định nghĩa Dung dịch là hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều chất mà Dung dịch lỏng được thành phần của nó có thể thay đổi trong một giới hạn xác tạo thành do sự hòa tan Dung dịch khí các chất khí, lỏng, rắn định. vào chất lỏng Dung dịch khí là hỗn hợp của hai Dung dịch có thể ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào, song nhiều chất khí như không haylọai Phân khí.dịch lỏng Dung dịch rắn là Dung thường chỉ nói đến dung dịch lỏng và dung dịch rắn. dung dịch những tinh thể được tạo thành do sự hòa tan các chất khí, lỏng, rắn Dung dịch rắn trong chất rắn. 3 4 1
6.1. Đại cương về dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch Định nghĩa nồng độ Nồng độ phần trăm khối lượng - C (%) Nồng độ đương lượng – CN (N) Phương pháp Nồng độ phần mol – Xi biểu diễn Nồng độ của dung dịch là lượng chất nồng độ Nồng độ molan – Cm (m) tan có trong một lượng hay một thể dung dịch tích nhất định của dung dịch hoặc Nồng độ mol/l – CM (M) 5 dung môi. 6 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch Nồng độ phần trăm khối lượng - C (%): biểu diễn số Nồng độ mol – CM (M): biểu diễn số mol chất tan có gam chất tan có trong 100 gam dung dịch trong một lít dung dịch. mct n C%   100 m dd CM  Với: V Với: mct - số gam chất tan (g) n - số mol chất tan (mol) mdd - số gam dung dịch (g) V - thể tích dung dịch (l) 7 C% - nồng độ phần trăm của dung dịch 8 CM - nồng độ mol/l (M) 2
6.1. Đại cương về dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch Nồng độ molan – Cm (m): biểu diễn số mol chất tan Nồng độ đương lượng – CN (N): biểu diễn số đương có trong 1 kg dung môi. lượng gam chất tan có trong một lít dung dịch. n n' Cm  CN  m dm Với: V Với: n’ - số đương lượng gam chất tan n - số mol chất tan V - thể tích dung dịch (l) mdm - khối lượng của dung môi (kg) 9 CN - nồng độ đương lượng (N) 10 Cm - nồng độ molan 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 6.1.2. Nồng độ dung dịch Nồng độ phần mol – Ni- Xi: Nồng độ phần mol là tỷ số Mối liên hệ các loại nồng độ trên được cho bởi các biểu thức: giữa số mol của cấu tử đang xét và tổng số mol của 10d 10d dung dịch. C M  C%  CN  C%  CN = z.CM M Đ ni Ni   Xi Với:  ni Trong đó: d: khối lượng riêng của dung dịch (g/ml) ni - số mol của cấu tử i M: phân tử lượng của chất tan ni - tổng số mol của các cấu tử Đ: đương lượng gam chất tan (đlg) và 𝑧 = 𝑀 Đ 11 12 Ni - nồng độ phân mol của cấu tử i 3
6.1. Đại cương về dung dịch Ví dụ: 6.1.3. Phân loại dung dịch Dung dịch H2SO4 20% tại 200C có KLR là Trong lý thuyết nhiệt động học người ta chia dung 1,145 g/ml. dịch thành 3 loại:  dung dịch lý tưởng, Tính CM, CN, Cm và Xi ?  dung dịch thực và  dung dịch vô cùng loãng. 13 14 6.1.3. Phân loại dung dịch 6.1.3. Phân loại dung dịch a. Dung dịch lý tưởng b. Dung dịch vô cùng loãng • Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà các cấu tử của Dung dịch vô cùng loãng là dung dịch mà thành nó có tính chất lý, hóa học giống nhau. Lực tương tác phần của chất tan là vô cùng bé so với thành phần giữa các phân tử cùng loại và giữa các phân tử khác của dung môi. Các tính chất dung dịch lý tưởng đều loại là như nhau: áp dụng được cho dung dịch này. f A A  f A B  fBB Như vậy tính chất của các cấu tử tuân theo các • Khi các cấu tử hòa tan vào nhau để tạo thành dung định luật lý tưởng của Henry, Raoul và trong trường dịch, không kèm theo một hiệu ứng nào: U = 0; H = hợp này hóa thế của các cấu tử cũng tuân theo 0; V = 0… phương trình: • Quá trình tạo thành dung dịch là quá trình tự xảy ra i   i*  RT.ln x i 15 nên: G < 0 và S > 0 16 4
6.1.3. Phân loại dung dịch 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng c. Dung dịch thực Dung dịch thực là dung dịch không lý tưởng. Do trong Quá trình hòa tan khí trong lỏng: dung dịch lực tương tác giữa các phân tử cùng loại và Các phân tử khí sau khi thâm nhập qua bề mặt giữa các phân tử khác loại khác nhau, nên khi tạo thành chất lỏng sẽ kết hợp với dung môi và bị các phân dung dịch luôn kèm theo các hiệu ứng nhiệt: tử dung môi kéo sâu vào bên trong tạo thành dung f A  A  f A  B  f B B dịch. Quá trình này thường gọi là quá trình hấp U ≠ 0; H ≠ 0; V ≠ 0… thụ. 17 18 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.2.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của các khí trong chất lỏng Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc rất Định luật Henry: Ở nhiệt độ không đổi, độ hòa tan của một khí trong một chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng nhiều yếu tố: phần của khí trên pha lỏng. • Bản chất của dung môi và khí. x i  k H .Pi • Áp suất khí trên bề mặt chất lỏng,. Trong đó: kH là hằng số Henry, nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt mà không phụ thuộc vào áp suất và bản chất dung môi. • Nhiệt độ. Pi là áp suất riêng phần của khí cân bằng với lỏng. • Nồng độ các tạp chất mà đặc biệt là chất điện ly. 19 20 5
6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.2.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của các khí trong chất lỏng 6.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các khí trong chất lỏng Định luật Henry chỉ đúng cho cho dung dịch lý tưởng và Xét cân bằng của một khí i với dung dịch bão hòa khí có thể áp dụng nó cho các chất tan dễ bay hơi của dung i có nồng độ cân bằng xi (cũng là độ hòa tan của i trong dịch vô cùng loãng. chất lỏng): Trong quá trình luyện kim: i (khí) = i (dung dịch có nồng độ xi) + Hhòa tan X2 (khí)  2X (trong dung dịch kim loại lỏng) x i (dd) Hằng số cân bằng có thể được viết: Kx  x2 x i (khí) Hằng số cân bằng có thể được viết: K i Pi Nếu pha khí chỉ có khí i thì xi(khí) = 1 thì: K x  xi dd   xi Từ đó có thể rút ra: 21 x i  K.Pi  k H . Pi 22 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 6.3. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng 6.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các khí trong chất lỏng và cân bằng dung dịch - hơi Phương trình Sreder: mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn đến độ hòa tan của chất khí trong dung môi lỏng. 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn  lnxi   λi  1 1     i2 Hay lnxi = -  -   T P RT R  T T0  6.3.3. Sự chưng cất dung dịch Trong đó: + xi: là độ tan của khí trong dung dịch. 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau + T 0: nhiệt độ ngưng tụ hay nhiệt độ sôi của khí khi 6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn nguyên chất. 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn Dựa vào phương trình này có thể tính toán được độ tan của các 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố 23 khí nếu biết được nhiệt độ sôi và nhiệt ngưng tụ của nó. chất 24 6
6.3. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn và cân bằng dung dịch - hơi Độ hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng khác phụ thuộc  Xét hệ hai cấu tử (A - B) tan lẫn vô hạn vào nhau và dung dịch A - B nằm cân bằng với pha hơi của chúng.  Bản chất của dung môi, chất tan  Áp dụng quy tắc pha Gibbs: C = 2 – 2 + 2 = 2  Nhiệt độ, Như vậy trong 4 thông số nhiệt động: nhiệt độ, áp suất, thành phần pha lỏng và thành phần pha hơi thì chỉ có hai  Áp suất nhưng phụ thuộc vào áp suất là thông số là độc lập. không đáng kể. – Nếu P = const thì độ tự do c = 2 – 2 + 1 = 1 có nghĩa là nhiệt độ sôi và thành phần pha hơi phụ thuộc vào thành phần pha lỏng. Thực nghiệm cho thấy: Các chất tan sẽ tan tốt vào dung – Nếu T = const thì c = 2 – 2 + 1 = 1 có nghĩa là áp suất và thành phần pha hơi phụ thuộc vào thành phần pha lỏng. 25 môi có bản chất giống nó 26 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult 6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult Định luật Raoult :  Định luật Henry chỉ áp dụng cho chất tan của  Áp suất hơi bão hòa của mỗi cấu tử bất kỳ tỷ lệ dung dịch vô cùng loãng: 1 l thuận với phần phân tử của nó trong dung dịch. Pi   xi kH Pi  Pi0 .x li  Đối với dung dịch thực, định luật Raoult cũng chỉ có thể áp dụng cho dung môi của dung dịch vô  Trong đó: Pi0 là áp suất hơi của cấu tử ở nguyên cùng loãng: chất P1  P10 .x 1l xi là phần phân tử của nó trong dung dịch.  Điều này được minh họa trên hình 6.1. 27 28 7
6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult 6.3.1.2. Giản đồ “Áp suất - thành phần” (P - x) Áp dụng định luật Raoult cho dung dịch lý Đường (1) là đường áp suất hơi của B trên dung dịch tưởng của hai cấu tử (A - B): thực (A - B).  PA  PA0 .x lA  PA0 . 1  xBl  Đường (2) là đường tuân PB  PB0 .x Bl theo định luật Raoult. Đường (3) là đường tuân Áp suất tổng của hệ là: theo định luật Henry.  P  PA0  PB0  PA0 .x Bl  Hình 6.1. So sánh định luật Raoult và định luật Henry 29 30 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1.2. Giản đồ “Áp suất - thành phần” (P - x) 6.3.1.3. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop I Qua đồ thị ta thấy: áp suất  Xét hệ dung dịch lý tưởng của hai cấu tử A và B nằm cân của dung dịch lý tưởng lớn hơn bằng với pha hơi của chúng. Theo định luật Danton thì áp suất hơi nguyên chất của cấu thành phần pha hơi tỷ lệ với số mol và áp suất phần của các cấu tử trong pha hơi: tử khó bay hơi và bé hơi áp suất xh nh P B  B  B hơi của cấu tử dễ bay hơi. x hA nhA PA  Theo định luật Raoult ta được: Ở đây, A là cấu tử khó bay x Bh PB0 x Bl xl    α  lB hơi, B là cấu tử dễ bay hơi. x hA PA0 x lA xA PA0  PB0  Hệ thức trên là biểu thức toán học của định luật Konovalop I. Định luật này là cơ sở của quá trình chưng PA0  P  PB0 cất. Trong đó α được gọi là hệ số tách hay hệ số chưng 31 32 cất. 8
Từ định luật Konovalop I ta có thể rút ra các hệ 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn quả sau: 6.3.1.4. Giản đồ “thành phần hơi - thành phần lỏng” (xh - xl)  Khi cân bằng, thành phần pha hơi khác với thành phần pha lỏng của dung dịch.  Từ biểu thức toán học của định luật Konovalop I, ta biến đổi để rút ra biểu thức:  Thành phần pha hơi tỷ lệ với thành phần pha lỏng, nếu x Bh α.x Bl α.x Bl   thành phần của chất ở pha lỏng tăng lên thì thành phần x hA  x Bh x lA  α.x Bl 1- x   α.x l B l B pha hơi tăng lên α.x Bl  Khi cân bằng, trong thành phần hơi sẽ giàu cấu tử dễ x Bh  bay hơi hơn trong thành phần pha lỏng hay thành phần 1  α  1.x Bl của chất dễ sôi trong pha hơi lớn hơn thành phần của nó  Biểu diễn phương trình trong pha lỏng. trên lên đồ thị (x - x) ta được các đường trên 33 34 hình 6.3. 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1.5. Nhiệt độ sôi và giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) 6.3.1.5. Nhiệt độ sôi và giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x)  Nếu nhiệt độ thay đổi thì áp suất hơi của hệ thay đổi theo. Nhiệt độ càng tăng thì áp suất hơi của hệ càng tăng. Đường lỏng Đường hơi hay  Dung dịch sẽ sôi khi áp suất tổng cộng của nó bằng áp đường sương suất bên ngoài. hay đường sôi  Thành phần pha lỏng và thành phần pha hơi lại có mối quan hệ với nhau.  Nếu biểu diễn các mối quan hệ của: – Nhiệt độ sôi - thành phần pha lỏng (T - xl). – Nhiệt độ sôi - thành phần pha hơi (T - xh). lên cùng một giản đồ (T - x) ta sẽ được giản đồ hình 6.4. Hình 6.4. Giản đồ (T - x) cân bằng 35 36 lỏng hơi của hệ 2 cấu tử 9
6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.1.6. Mô tả quá trình trên giản đồ 6.3.1.6. Mô tả quá trình trên giản đồ  Giản đồ pha là công cụ quan trọng để nghiên cứu định Tăng nhiệt độ thì tính, định lượng quá trình chuyển pha. Quá trình chuyển điểm hệ, điểm lỏng và pha thường được khảo sát hai quá trình sau: điểm hơi sẽ di chuyển – Quá trình đẳng nhiệt là quá trình trong đó có nhiệt độ không đổi trên những đường (T = const), thành phần của hệ được thay đổi do sự thêm vào tương tự như sau: hoặc lấy bớt đi một cấu tử.  Nhiệt độ: T1T2 T3 – Quá trình đa nhiệt là quá trình làm thay đổi nhiệt độ của hệ song  Điểm hệ: l1Q2 h3 thành phần chung của hệ không thay đổi.  Điểm lỏng: l1l2 l3  Ta khảo sát quá trình đa nhiệt của một dung dịch biểu  Điểm hơi: h1h2h3 diên bởi hệ L trên giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) ở hình 6.5 (áp suất P = const). Hình 6.5. Quá trình đa nhiệt trên giản 37 38 đồ cân bằng lỏng - hơi (T - x) Hệ Q2 = l2 + h2 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2.1. Áp suất hơi 6.3.2.1. Áp suất hơi  Trong thực tế, hầu hết các dung dịch không được xem là lý tưởng. Áp suất hơi riêng phần của các cấu tử và áp suất tổng cộng trên các dung dịch thực không tuân theo định luật Raoult.  Có nhiều nguyên nhân gây ra sự sai lệch khỏi định luật Raoult. Một trong những nguyên nhân chủ yếu là có sự khác biệt của lực tương tác giữa các phân tử cùng loại Hệ benzen – axeton Hệ cloroform - ete etylic 39 và khác loại. 40 (sai lệch dương) (sai lệch âm) 10
Trong thực tế, có nhiều trường hợp (khoảng 3000 trường hợp), sự sai lệch khỏi định luật Raoult lớn đến nỗi trên đường áp suất 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn hơi tổng cộng xuất hiện các điểm cực trị (cực đại, cực tiểu). 6.3.2.2. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop II Khi nghiên cứu những hệ có điểm cực trị trên giản đồ (P - x), Konovalop đã phát biểu định luật thứ II như sau:  Đối với những hệ có thành phần ứng với điểm cực trị trên đường áp hơi tổng cộng (P - x) thì pha lỏng và pha hơi cân bằng có cùng thành phần.  Nghĩa là tại điểm cực trị: Xh  x l  B B  h  X A  x lA  Dung dịch có thành phần ứng với điểm đẳng phí sẽ sôi ở nhiệt độ không đổi, dưới áp suất không đổi và bay hơi theo đúng thành phần của nó. Những dung dịch như vậy gọi là 41 Hình 6.8. Hệ có điểm cực đại M và hệ có điểm cực tiểu m 42 dung dịch đẳng phí. 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.2.2. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop II  Chưng cất là sự tách dung dịch thành những cấu tử nguyên chất (hay gần như nguyên chất) bằng phương pháp đun nóng và ngưng tụ.  Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất là hai định luật của Konovalop.  Theo định luật Konovalop I, nếu hệ số tách càng lớn thì thành phần pha hơi và thành phần pha lỏng càng khác nhau và càng dễ tách các cấu tử ra khỏi nhau bằng phương pháp chưng cất.  Theo định luật Konovalop II, tại điểm cực trị trên giản đồ (P - x) hoặc giản đồ (T - x) thì thành phần pha hơi bằng thành phần pha Hình 6.9. Hệ có điểm cực đại trên đường (P - x) và điểm lỏng, nên không thể dùng phương pháp chưng cất bình thường 43 cực tiểu trên đường (T - x) 44 để tách các cấu tử ra khỏi nhau. 11
6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.1. Chưng cất hệ lý tưởng và các hệ không tạo dung 6.3.3.1. Chưng cất hệ lý tưởng và các hệ không tạo dung dịch đẳng phí dịch đẳng phí KẾT QUẢ: Tách được 2 cấu tử:  Cấu tử dễ bay hơi B gần như nguyên chất nằm ở pha hơi trong quá trình chưng.  Cấu tử khó bay hơi A hầu như nguyên chất nằm lại ở pha lỏng.  Quá trình chưng cất nhiều lần trên được gọi là quá trình tinh luyện. 45 Hình 6.10. Quá trình chưng cất 46 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí  Đối với những hệ có tạo thành dung dịch đẳng  Nếu chưng cất dung dịch có phí thì quá trình chưng cất trên không cho phép thành phần mol của tetraclorua cacbon nhỏ hơn 0,61, ta sẽ thu thu được cả hai cấu tử nguyên chất, tùy thuộc được etanol nguyên chất và vào thành phần của hệ ban đầu, ta chỉ có thể thu một dung dịch đẳng phí có được một cấu tử nguyên chất và dung dịch đẳng thành phần đúng bằng 0,61. phí.  Nếu chưng cất dung dịch có Xét hệ etanol - tetraclorua cacbon (xem hình 6.11) thành phần mol của tetraclorua cacbon lớn hơn 0,61, ta sẽ thu được tetraclorua nguyên chất và dung dịch đẳng phí trên. 47 48 12
6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí 6.3.3.3. Quá trình chưng cất trong công nghiệp Thiết bị  Nếu áp suất thay đổi, không chỉ ngưng tụ nhiệt độ mà thành phần của ở đầu cột dung dịch đẳng phí cũng thay đổi theo.  nếu ta thay đổi áp suất bên Nồi chưng ngoài từ P1 sang P2 đến P3, thì có bộ phận nhiệt độ sôi và thành phần của Cột chưng cất gia nhiệt. dung dịch đẳng phí thay đổi và bao gồm nhiều đến lúc nào đó, dung dịch đẳng đĩa chưng phí hầu như chỉ chứa một cấu (hoặc mâm tử nguyên chất. chưng). 49 50 . 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.1. Tính chất của hệ 6.3.4.1. Tính chất của hệ  Áp suất riêng phần của mỗi cấu tử không phụ thuộc vào  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng không phụ thuộc vào thành thành phần của hệ lỏng, nó bằng áp suất của cấu tử phần, nó nhỏ hơn nhiệt độ sôi của mỗi cấu tử và chỉ phụ nguyên chất và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: thuộc vào áp suất bên ngoài. Pi  Pi0  f T   Trong quá trình sôi, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ giữ nguyên cho đến khi một trong hai cấu tử chuyển hết thành Nên: P  PA  PB  PA0  PB0  f T  hơi, thì nhiệt độ sôi của hệ sẽ tăng vọt đến nhiệt độ sôi  Thành phần pha hơi cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà của cấu tử còn lại. không phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp lỏng.  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp có thể được xác định bằng x Bh P P0 phương pháp đồ thị như sau. Biểu diễn trên cùng một giản  B  B0  f T  đồ hai tọa độ ngược nhau (hình 6.14) x hA PA PA 51 52 13
6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.1. Tính chất của hệ 6.3.4.2. Chưng theo hơi nước  Chưng theo hơi nước là phương pháp dùng hơi nước để lôi kéo một cấu tử không tan trong nước ra khỏi hỗn hợp của nó. Đường (1): 𝑃𝐴 = 𝑃𝑜 𝐴 = f (T)  Ứng dụng để tách các chất hữu cơ không tan (hay ít tan) Đường (2): 𝑃𝐵 = 𝑃𝑜 𝐵 = f trong nước và các chất hữu cơ dễ bị phân hủy ở nhiệt độ (T) Áp suất tổng: thấp. 𝑃𝐴 + 𝑃𝐵 = 𝑃𝑛𝑔  Ví dụ, dưới áp suất 760 mmHg, benzen sôi ở 80,20C, nước Nhiệt độ sôi của hỗn hợp: sôi ở 1000C, còn hỗn hợp benzen - nước sôi ở khoảng 700C. Hình 6.14. Hệ hai chất lỏng 53 0 Thh  TA0 và Thh 0  TB0 54 hoàn toàn không tan lẫn 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.4.2. Chưng theo hơi nước 6.3.5.1. Sự tan lẫn có giới hạn của hệ hai chất lỏng  Khi sử dụng hơi nước để chưng lôi cuốn một chất ra khỏi  Ta xét quá trình hòa tan một hỗn hợp, ta quan tâm đến lượng nước tối thiểu (kg) tương hỗ của hệ butanol - cần thiết để chưng cất được 1 kg chất A. Lượng hơi nước. Cho một lượng nước này được tính như sau: butanol vào nước, khuấy x hH 2O n H 2O PH0 2O PH02O 18 trộn kỹ rồi để cân bằng, hệ   gH2O   x h nA P 0 PA0 M A sẽ tách làm hai lớp : A A – Lớp butanol bão hòa hơi Trong đó MA là phân tử gam của chất A. nước. 0 – Lớp nước bão hòa PH02O và PA lần lượt là áp suất hơi của nước và của chất butanol. Hình 6.15. Sự phân lớp của hệ A ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp. butanol - nước 55 56 14
6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.5.1. Sự tan lẫn có giới hạn của hệ hai chất lỏng 6.3.5.1. Sự tan lẫn có giới hạn của hệ hai chất lỏng Vùng đồng thể  Theo quy tắc pha Gibbs: (P = const)  Điểm hòa tan tới hạn K: c= 2 -2 = 0 (P, T = const) c  k  f 1 2  2 1 1  Xét quá trình đa nhiệt  Nên: ở mỗi nhiệt độ thành phần 2 pha là xác của hệ Q1: định, khi nhiệt độ thay đổi thì thành phần của cả Nhiệt độ : T 1  T 2  T 3. hai pha thay đổi theo. Điểm hệ: Q1  Q2  b3. Vùng dị thể(hai dung dịch liên hợp) Điểm pha n: n1  n2  n3.  Biểu đồ hòa tan đa nhiệt (T - x) của hệ butanol - Điểm pha b: b1  b2  b3. 57 nước được biểu diễn trên hình 6.16. 58 6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.5.2. Phương pháp xây dựng giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x)  Phuơng pháp hóa lý, người ta quan niệm đường cong (T  Trong thực tế thường gặp nhiều hệ ba chất lỏng - x) là quỹ tích những điểm mà trong hệ có sự chuyển từ tan lẫn có giới hạn vào nhau, ví dụ như những vùng đồng thể sang vùng dị thể (hay ngược lại). Biểu hệ: vinylaxetat - nước - axit axetic, cloroform - hiện bề ngoài của hiện tượng này là sự chuyển từ “trong” sang “đục” (hay ngược lại). axit axetic - nước…  Như vậy, ta sẽ lập các hệ có thành phần khác nhau, rồi  Tính tan lẫn của các hệ này phụ thuộc chủ yếu xác định các nhiệt độ mà ở đó có sự chuyển pha (bằng vào nhiệt độ và hầu như không phụ thuộc vào áp các lần lượt tăng, rồi giảm nhiệt độ và xác định tọa độ suất. các điểm chuyển pha đó) từ kết quả trung bình xây dựng giản đồ (T - x). 59 60 15
6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.6.1. Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt (x - x - x) 6.3.6.1. Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt (x - x - x)  Xét hệ A – B – C ở P, T = const.  Xét quá trình đẳng nhiệt của hệ Q: c= 2 Vùng đồng thể A – B, B – C: hòa tan vô hạn. Điểm hệ: Q1  Q2  a2. A - C hòa tan có giới hạn. c= 0 Điểm pha a: a1  a1  a2. Quy tắc Tarachenco: Vùng dị thể Những đường thẳng nối Điểm pha b: b  b1  b2. c= 1 các cặp dung dịch liên hợp Hệ nằm ở điểm Q1: sẽ gặp nhau tại một điểm. Hình 6. 17: Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt của hệ 3 cấu tử 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật 6.3.6.2. Giản đồ hòa tan đa nhiệt (x - x - x) phân bố  Xét hệ A – B – C ở P = const. A – C, B – C: hòa tan vô hạn.  Chiết tách hay trích ly là quá trình lấy một chất ra khỏi A - B hòa tan có giới hạn. Vùng đồng thể một dung dịch (hoặc một hệ) bằng một dung môi không Nếu cắt giản đồ không gian bằng tan (hay rất ít tan) vào dung dịch này nhưng lại có khả những mặt phẳng đẳng nhiệt, ta sẽ thu được những giao tuyến của năng hòa tan chất tan tốt hơn. chúng với mặt cong, đó chính là các đường hòa tan đẳng nhiệt  Cơ sở của quá trình này là dựa vào lý thuyết hệ dung Nếu chiếu các giao tuyến này xuống mặt đáy, ta sẽ được dịch 3 cấu tử A - B - C. ( A- B, A – C: tan lẫn; B – C : ít giản đồ hòa tan đa nhiệt trong Vùng dị thể mặt phẳng hoặc không tan). Hình 6. 18: Giản đồ hòa tan đahiệt của hệ 3 cấu tử 64 16
6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố phân bố  Hệ M0 là dung dịch của chất A tan  Định luật phân bố Nernst: trong dung môi B. c= 1 “Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, tỷ số nồng độ của một  Đường CM0 thêm vào hệ M0 một chất chất tan trong hai dung môi không tan lẫn là một hằng C hầu như không tan vào B. số không phụ thuộc vào lượng tương đối của chất tan và  Tại điểm M, hệ sẽ tách thành 2 dung môi”. pha: pha b gồm chủ yếu là cấu tử CY / A B và pha a là dung dịch của A tan K trong C. CY /B Trong đó: Như vậy đã tách được gần hết A ra khỏi B bằng dung môi CY/A và CY/B là nồng độ của chất tan Y trong dung môi A và trong C. Để có được A nguyên chất ta có thể dùng thêm các dung môi B. phương pháp khác bổ sung, như dùng quá trình chưng cất K là hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nó được gọi là hệ số 65 sau khi tiến hành chiết tách. 66 phân bố. 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố Xét một dung dịch có thể tích V0 chứa a mol chất tan. Mỗi lần ta dùng thể tích VC để chiết. hằng số phân bố K được tính là: Gọi xn là số mol chất tan còn lại sau lần chiết thứ n, vậy: Sau lần chiết thứ 1: Sau lần chiết thứ n: a  x1 n C Y / dm VC  V0  K  x n  a   C Y / dd x1  V0  K.VC  67 V0 17