HồThịCẩm Hòai, PhD
htchoai@hcmuns.edu.vn
Pha – Cấu tử -Bậc tự do (phase, components, and degrees of
freedom)
Mọi giản đồ pha đều tuân theo quy tắc pha (phase rule) của J.W.Gibbs.
Để hiểu rõ và vận dụng quy tắc này, chúng ta cần biết một số định
nghĩa và thuật ngữ liên quan.
Pha P(phase): trong một hệ thống, pha là một phần hệ thống đồng
nhất và có giới hạn rõ ràng.
Một hỗn hợp lỏng có hai hay ba pha nếu có hai hay ba lớp lỏng
không hòa tan vào nhau.
Một hỗn hợp rắn có hai hay ba pha nếu có hai hay ba chất rắn khác
nhau kêt tinh theo những mạng tinh thể khác nhau.
Một hỗn hợp khí luôn là một pha vì mọi khí đều hòa tan vào nhau
(P=1).
VD: Hỗn hợp nước và nước đá là hệ hai pha (P=2)
Hệ calcium carbonate bị nhiệt phân gồm hai pha rắn (calcium
carbonate và calcium oxide) và một pha khí (carbon dioxide), tổng
cộng gốm ba pha (P=3)
Số cấu tử C (components): là số cấu tố/thành phần nhỏ nhất không phụ
thuộc vào nhau và cần thiết để xác định số pha của toàn hệ thống.
Ta cần phân biệt cấu tử và cấu tố/thành phần (constituents). Khi không
có phản ứng hóa học xảy ra, số thành phần bằng với cấu tử.
VD: hỗn hợp ethanol-nước gồm 2 thành phần là ethanol và nước, số cấu
tử cũng là hai (C=2) vì ta cần xác định hai chất này để biết thành phần
của hỗn hợp.
Khi có phản ứng hóa học xảy ra, ta cần xác định lại số cấu tử độc lập C
cần thiết để xác định được thành phần hỗn hợp.
VD: Xem cân bằng CaCO3(r) ↔ CaO(r) + CO2 (k)
pha 1pha 2 pha 3
Để xác định thành phần pha khí, ta cần xác định chất CO2.
Để xác định thành phần pha 2, ta cần xác định chất CaO .
Tuy nhiên đề xác định thành phần pha 1, ta không cần xác định chất nào
cả vì pha này được xác định từ hệ số tỷ lượng của phản ứng.
Vậy: phản ứng này gốm ba pha (P=3), ba chất nhưng chỉ gồm hai cấu tử
(C=2)
Q: Có bao nhiêu cấu tử tồn tại trong hệ thống ammonium
chloride bị nhiệt phân?
A: 1
B: 2
C:3
D: 4
Ans: Phản ứng hóa học xảy ra là
NH4Cl (r) ↔ NH3(k) + HCl(k)
Số pha là P = 2
Số thành phần là 3
Do NH3và HCl tạo thành như nhau theo tỷ lệ như hệ số tỷ
lượng của phương trình phản ứng nên thành phần của cả hai
pha có thể biểu diễn dựa trên một chất duy nhất NH4Cl.
Vậy hệ thống gồm 1 cấu tử (C = 1).
Nếu nồng độ NH3và HCl ban đầu bất kỳ và khác zero, ta có
số cấu từ là hai (C=2).
Biến tố (variance) của một hệ thống là số biến tố độc lập chân
chính (intensive variables-nhiêt độ, áp suất, nồng độ…)ta có
thể thay đổi mà không làm thay đổi số pha đang có của hệ
thống.
VD 1: hệ thống nước lỏng ở 25 oCvà 1 atm có P =1,C=1. Ta có
thể thay đổi cùng lúc cả nhiệt độ và áp suất mà nước vẫn ở
pha lỏng (VD 30 oCvà 1,1 atm). Vậy F = 2
VD 2: hệ thống nước lỏng và nước đá cân bằng ở 0 oCvà 1 atm
có P =2, C=1. Ta không thể thay đổi cùng lúc cả nhiệt độ và áp
suất mà không thay đổi cân bằng. Chỉ cần thay đổi 1 biến tố
độc lập xác định thì biến tố độc lập còn lại cũng được xác định
luôn. Vậy F = 1