Vật lý - Chương 6: Dung dịch và cân bằng lỏng - Hơi

11 CHƯƠNG 6 DUNG DỊCH VÀ CÂN BẰNG LỎNG - HƠI 2 Nội dung 6.1. Đại cương về dung dịch 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 3 6.1.1. Định nghĩa 6.1. Đại cương về dung dịch Dung dịch là hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều chất mà thành phần của nó có thể thay đổi trong một giới hạn xác định. Dung dịch có thể ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào, song thường chỉ nói đến dung dịch lỏng và dung dịch rắn. 4 Phân lọai dung dịch Dung dịch khi ́ Dung dịch lỏng Dung dịch rắn Dung dịch khí là hỗn hợp của hai hay nhiều chất khí như không khí. Dung dịch rắn là những tinh thê ̉ được tạo thành do sự hòa tan các chất khi ́, lỏng, rắn trong chất rắn. Dung dịch lỏng được tạo thành do sự hòa tan các chất khi ́, lỏng, rắn vào chất lỏng 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.1. Định nghĩa 25 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch Định nghĩa nồng độ Nồng độ của dung dịch là lượng chất tan có trong một lượng hay một thể tích nhất định của dung dịch hoặc dung môi. 6.1. Đại cương về dung dịch 6 Phương pháp biểu diễn nồng độ dung dịch Nồng độ phần trăm khối lượng - C (%) Nồng độ mol/l – CM (M) Nồng độ đương lượng – CN (N) Nồng độ molan – Cm (m) Nồng độ phần mol – Xi 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 7 Nồng độ phần trăm khối lượng - C (%): biểu diễn số gam chất tan có trong 100 gam dung dịch 100 m m %C dd ct  Với: mct - số gam chất tan (g) mdd - số gam dung dịch (g) C% - nồng độ phần trăm của dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 8 Nồng độ mol – CM (M): biểu diễn số mol chất tan có trong một lít dung dịch. V n CM  Với: n - số mol chất tan (mol) V - thể tích dung dịch (l) CM - nồng độ mol/l (M) 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 39 Nồng độ đương lượng – CN (N): biểu diễn số đương lượng gam chất tan có trong một lít dung dịch. V 'n CN  Với: n’ - số đương lượng gam chất tan V - thể tích dung dịch (l) CN - nồng độ đương lượng (N) 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 10 Nồng độ molan – Cm (m): biểu diễn số mol chất tan có trong 1 kg dung môi. dm m m n C  Với: n - số mol chất tan mdm - khối lượng của dung môi (kg) Cm - nồng độ molan 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 11 Nồng độ phần mol – Ni- Xi: Nồng độ phần mol là tỷ số giữa số mol của cấu tử đang xét và tổng số mol của dung dịch. iX  i i i n n N Với: ni - số mol của cấu tử i ni - tổng số mol của các cấu tử Ni - nồng độ phân mol của cấu tử i 6.1. Đại cương về dung dịch 6.1.2. Cách biểu diễn thành phần dung dịch 12 Mối liên hệ các loại nồng độ trên được cho bởi các biểu thức: 6.1.2. Nồng độ dung dịch d: khối lượng riêng của dung dịch (g/ml) M: phân tử lượng của chất tan Đ: đương lượng gam chất tan (đlg) và 𝑧 = 𝑀 Đ M d10 %CCM  Đ d10 %CCN  CN = z.CM Trong đó: 6.1. Đại cương về dung dịch 413 Ví dụ: Dung dịch H2SO4 20% tại 20 0C có KLR là 1,145 g/ml. Tính CM, CN, Cm và Xi ? 14 6.1.3. Phân loại dung dịch 6.1. Đại cương về dung dịch Trong lý thuyết nhiệt động học người ta chia dung dịch thành 3 loại:  dung dịch lý tưởng,  dung dịch thực và  dung dịch vô cùng loãng. 15 a. Dung dịch lý tưởng • Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà các cấu tử của nó có tính chất lý, hóa học giống nhau. Lực tương tác giữa các phân tử cùng loại và giữa các phân tử khác loại là như nhau: • Khi các cấu tử hòa tan vào nhau để tạo thành dung dịch, không kèm theo một hiệu ứng nào: U = 0; H = 0; V = 0 • Quá trình tạo thành dung dịch là quá trình tự xảy ra nên: G 0 BBBAAA fff   6.1.3. Phân loại dung dịch 16 b. Dung dịch vô cùng loãng Dung dịch vô cùng loãng là dung dịch mà thành phần của chất tan là vô cùng bé so với thành phần của dung môi. Các tính chất dung dịch lý tưởng đều áp dụng được cho dung dịch này. Như vậy tính chất của các cấu tử tuân theo các định luật lý tưởng của Henry, Raoul và trong trường hợp này hóa thế của các cấu tử cũng tuân theo phương trình: i * ii xln.RT 6.1.3. Phân loại dung dịch 517 c. Dung dịch thực Dung dịch thực là dung dịch không lý tưởng. Do trong dung dịch lực tương tác giữa các phân tử cùng loại và giữa các phân tử khác loại khác nhau, nên khi tạo thành dung dịch luôn kèm theo các hiệu ứng nhiệt: U ≠ 0; H ≠ 0; V ≠ 0 BBBAAA fff   6.1.3. Phân loại dung dịch 18 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng Quá trình hòa tan khí trong lỏng: Các phân tử khí sau khi thâm nhập qua bề mặt chất lỏng sẽ kết hợp với dung môi và bị các phân tử dung môi kéo sâu vào bên trong tạo thành dung dịch. Quá trình này thường gọi là quá trình hấp thụ. 19 Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc rất nhiều yếu tố: • Bản chất của dung môi và khí. • Áp suất khí trên bề mặt chất lỏng,. • Nhiệt độ. • Nồng độ các tạp chất mà đặc biệt là chất điện ly. 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 20 6.2.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của các khí trong chất lỏng 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 phần của khí trên pha 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. Pi là áp suất riêng phần của khí cân bằng với lỏng. iHi P.kx  6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng 621 6.2.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của các khí trong chất lỏng Định luật Henry chỉ đúng cho cho dung dịch lý tưởng và có thể áp dụng nó cho các chất tan dễ bay hơi của dung dịch vô cùng loãng. Trong quá trình luyện kim: X2 (khí)  2X (trong dung dịch kim loại lỏng) Hằng số cân bằng có thể được viết: Từ đó có thể rút ra: 6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng i 2 i P x K  iHii P.kK.Px  22 6.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các khí trong chất lỏng Xét cân bằng của một khí i với dung dịch bão hòa khí i có nồng độ cân bằng xi (cũng là độ hòa tan của i trong chất lỏng): i (khí) = i (dung dịch có nồng độ xi) + Hhòa tan Hằng số cân bằng có thể được viết: Nếu pha khí chỉ có khí i thì xi(khí) = 1 thì: (khí)x (dd)x K i i x  6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng   iix xddxK  23 6.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các khí trong chất lỏng Phương trình Sreder: mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan của chất khí trong dung môi lỏng. 2 i P i RTT lnx          6.2. Sự hòa tan của khí trong chất lỏng       i i 0 λ 1 1 lnx = - - R T T Hay Trong đó: + xi: là độ tan của khí trong dung dịch. + T0: nhiệt độ ngưng tụ hay nhiệt độ sôi của khí khi nguyên chất. Dựa vào phương trình này có thể tính toán được độ tan của các chất khí nếu biết được nhiệt độ sôi và nhiệt ngưng tụ của nó. 24 6.3. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng và cân bằng dung dịch - hơi 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 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 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố 725 Độ hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng khác phụ thuộc  Bản chất của dung môi, chất tan  Nhiệt độ,  Áp suất nhưng phụ thuộc vào áp suất là không đáng kể. Thực nghiệm cho thấy: Các chất tan sẽ tan tốt vào dung môi có bản chất giống nó 6.3. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng và cân bằng dung dịch - hơi 26  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.  Áp dụng quy tắc pha Gibbs: C = 2 – 2 + 2 = 2 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 thông số là độc lập. – 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. – 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. 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 27 6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult Định luật Raoult :  Áp suất hơi bão hòa của mỗi cấu tử bất kỳ tỷ lệ thuận với phần phân tử của nó trong dung dịch.  Trong đó: Pi 0 là áp suất hơi của cấu tử ở nguyên chất xi là phần phân tử của nó trong dung dịch. l i 0 ii .xPP  6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 28  Định luật Henry chỉ áp dụng cho chất tan của dung dịch vô cùng loãng:  Đối với dung dịch thực, định luật Raoult cũng chỉ có thể áp dụng cho dung môi của dung dịch vô cùng loãng:  Điều này được minh họa trên hình 6.1. l 1 0 11 .xPP  l i H i x k 1 P  6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 829 Hình 6.1. So sánh định luật Raoult và định luật Henry Đường (1) là đường áp suất hơi của B trên dung dịch thực (A - B). Đường (2) là đường tuân theo định luật Raoult. Đường (3) là đường tuân theo định luật Henry. 6.3.1.1. Áp suất hơi - định luật Raoult 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 30 Áp dụng định luật Raoult cho dung dịch lý tưởng của hai cấu tử (A - B): Áp suất tổng của hệ là:  lB0AlA0AA x1.P.xPP  l B 0 BB .xPP    lB0A0B0A .xPPP P  6.3.1.2. Giản đồ “Áp suất - thành phần” (P - x) 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 31 Qua đồ thị ta thấy: áp suất của dung dịch lý tưởng lớn hơn áp suất hơi nguyên chất của cấu tử khó bay hơi và bé hơi áp suất hơi của cấu tử dễ bay hơi. Ở đây, A là cấu tử khó bay hơi, B là cấu tử dễ bay hơi. 0 B 0 A PP  0 B 0 A PPP  6.3.1.2. Giản đồ “Áp suất - thành phần” (P - x) 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 32  Xét hệ dung dịch lý tưởng của hai cấu tử A và B nằm cân bằng với pha hơi của chúng. Theo định luật Danton thì thành phần pha hơi tỷ lệ với số mol và áp suất phần của các cấu tử trong pha hơi:  Theo định luật Raoult ta được:  Hệ thức trên là biểu thức toán học của định luật Konovalop I. Định luật này là cơ sở của quá trình chưng cất. Trong đó α được gọi là hệ số tách hay hệ số chưng cất. A B h A h B h A h B P P n n x x  l A l B l A l B 0 A 0 B h A h B x x α x x P P x x  6.3.1.3. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop I 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 933 Từ định luật Konovalop I ta có thể rút ra các hệ quả sau:  Khi cân bằng, thành phần pha hơi khác với thành phần pha lỏng của dung dịch.  Thành phần pha hơi tỷ lệ với thành phần pha lỏng, nếu thành phần của chất ở pha lỏng tăng lên thì thành phần pha hơi tăng lên  Khi cân bằng, trong thành phần hơi sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn trong thành phần pha lỏng hay thành phần của chất dễ sôi trong pha hơi lớn hơn thành phần của nó trong pha lỏng. 34  Từ biểu thức toán học của định luật Konovalop I, ta biến đổi để rút ra biểu thức:  Biểu diễn phương trình trên lên đồ thị (x - x) ta được các đường trên hình 6.3.   lBlB l B l B l A l B h B h A h B α.xx-1 α.x α.xx α.x xx x        lB l Bh B .x1α1 α.x x   6.3.1.4. Giản đồ “thành phần hơi - thành phần lỏng” (xh - xl) 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 35  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.  Dung dịch sẽ sôi khi áp suất tổng cộng của nó bằng áp suất bên ngoài.  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. 6.3.1.5. Nhiệt độ sôi và giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 36 Hình 6.4. Giản đồ (T - x) cân bằng lỏng hơi của hệ 2 cấu tử 6.3.1.5. Nhiệt độ sôi và giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn Đường lỏng hay đường sôi Đường hơi hay đường sương 10 37  Giản đồ pha là công cụ quan trọng để nghiên cứu định tính, định lượng quá trình chuyển pha. Quá trình chuyển pha thường được khảo sát hai quá trình sau: – Quá trình đẳng nhiệt là quá trình trong đó có nhiệt độ không đổi (T = const), thành phần của hệ được thay đổi do sự thêm vào hoặc lấy bớt đi một cấu tử. – Quá trình đa nhiệt là quá trình làm thay đổi nhiệt độ của hệ song thành phần chung của hệ không thay đổi.  Ta khảo sát quá trình đa nhiệt của một dung dịch biểu diên bởi hệ L trên giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) ở hình 6.5 (áp suất P = const). 6.3.1.6. Mô tả quá trình trên giản đồ 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn 38 Hình 6.5. Quá trình đa nhiệt trên giản đồ cân bằng lỏng - hơi (T - x) 6.3.1.6. Mô tả quá trình trên giản đồ 6.3.1. Hệ dung dịch lý tưởng tan lẫn vô hạn Tăng nhiệt độ thì điểm hệ, điểm lỏng và điểm hơi sẽ di chuyển trên những đường tương tự như sau:  Nhiệt độ: T1T2 T3  Điểm hệ: l1Q2 h3  Điểm lỏng: l1l2 l3  Điểm hơi: h1h2h3 Hệ Q2 = l2 + h2 39  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 và khác loại. 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2.1. Áp suất hơi 40 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2.1. Áp suất hơi Hệ benzen – axeton (sai lệch dương) Hệ cloroform - ete etylic (sai lệch âm) 11 41 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 hơi tổng cộng xuất hiện các điểm cực trị (cực đại, cực tiểu). Hình 6.8. Hệ có điểm cực đại M và hệ có điểm cực tiểu m 42 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:  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 dung dịch đẳng phí.       l A h A l B h B xX xX 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2.2. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop II 43 Hình 6.9. Hệ có điểm cực đại trên đường (P - x) và điểm cực tiểu trên đường (T - x) 6.3.2. Hệ dung dịch thực tan lẫn vô hạn 6.3.2.2. Thành phần pha hơi - định luật Konovalop II 44  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 lỏng, nên không thể dùng phương pháp chưng cất bình thường để tách các cấu tử ra khỏi nhau. 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 12 45 Hình 6.10. Quá trình chưng cất 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.1. Chưng cất hệ lý tưởng và các hệ không tạo dung dịch đẳng phí 46 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. 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.1. Chưng cất hệ lý tưởng và các hệ không tạo dung dịch đẳng phí 47  Đối với những hệ có tạo thành dung dịch đẳng phí thì quá trình chưng cất trên không cho phép thu được cả hai cấu tử nguyên chất, tùy thuộc vào thành phần của hệ ban đầu, ta chỉ có thể thu được một cấu tử nguyên chất và dung dịch đẳng phí. Xét hệ etanol - tetraclorua cacbon (xem hình 6.11) 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí 48  Nếu chưng cất dung dịch có thành phần mol của tetraclorua cacbon nhỏ hơn 0,61, ta sẽ thu được etanol nguyên chất và một dung dịch đẳng phí có thành phần đúng bằng 0,61.  Nếu chưng cất dung dịch có thành phần mol của tetraclorua cacbon lớn hơn 0,61, ta sẽ thu được tetraclorua nguyên chất và dung dịch đẳng phí trên. 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí 13 49  Nếu áp suất thay đổi, không chỉ nhiệt độ mà thành phần của dung dịch đẳng phí cũng thay đổi theo.  nếu ta thay đổi áp suất bên ngoài từ P1 sang P2 đến P3, thì nhiệt độ sôi và thành phần của dung dịch đẳng phí thay đổi và đến lúc nào đó, dung dịch đẳng phí hầu như chỉ chứa một cấu tử nguyên chất. 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.2. Chưng cất các hệ có tạo dung dịch đẳng phí 50 6.3.3. Sự chưng cất dung dịch 6.3.3.3. Quá trình chưng cất trong công nghiệp Nồi chưng có bộ phận gia nhiệt. Thiết bị ngưng tụ ở đầu cột Cột chưng cất bao gồm nhiều đĩa chưng (hoặc mâm chưng). . 51  Áp suất riêng phần của mỗi cấu tử không phụ thuộc vào thành phần của hệ lỏng, nó bằng áp suất của cấu tử nguyên chất và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: Nên:  Thành phần pha hơi cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp lỏng.  TfPP 0ii   TfPPPPP 0B 0 ABA   Tf P P P P x x 0 A 0 B A B h A h B  6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.1. Tính chất của hệ 52  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng không phụ thuộc vào thành phần, nó nhỏ hơn nhiệt độ sôi của mỗi cấu tử và chỉ phụ thuộc vào áp suất bên ngoài.  Trong quá trình sôi, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ giữ nguyên cho đến khi một trong hai cấu tử chuyển hết thành hơi, thì nhiệt độ sôi của hệ sẽ tăng vọt đến nhiệt độ sôi của cấu tử còn lại.  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp có thể được xác định bằng phương pháp đồ thị như sau. Biểu diễn trên cùng một giản đồ hai tọa độ ngược nhau (hình 6.14) 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.1. Tính chất của hệ 14 Hình 6.14. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn53 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.1. Tính chất của hệ Đường (1): 𝑃𝐴 = 𝑃 𝑜 𝐴 = f (T) Đường (2): 𝑃𝐵 = 𝑃 𝑜 𝐵 = f (T)Áp suất tổng: 𝑃𝐴 + 𝑃𝐵 = 𝑃𝑛𝑔 0 A 0 hh TT  0 B 0 hh TT  Nhiệt độ sôi của hỗn hợp: và 54  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.  Ứng dụng để tách các chất hữu cơ không tan (hay ít tan) trong nước và các chất hữu cơ dễ bị phân hủy ở nhiệt độ thấp.  Ví dụ, dưới áp suất 760 mmHg, benzen sôi ở 80,20C, nước sôi ở 1000C, còn hỗn hợp benzen - nước sôi ở khoảng 700C. 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.2. Chưng theo hơi nước 55  Khi sử dụng hơi nước để chưng lôi cuốn một chất ra khỏi một hỗn hợp, ta quan tâm đến lượng nước tối thiểu (kg) cần thiết để chưng cất được 1 kg chất A. Lượng hơi nước này được tính như sau: A 0 A 0 OH OH M 18 P P g 2 2  0 OH2 P 0 AP 6.3.4. Hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn nhau 6.3.4.2. Chưng theo hơi nước 0 A 0 H A H h A h H P P n n x x 222 OOO  Trong đó MA là phân tử gam của chất A. và lần lượt là áp suất hơi của nước và của chất A ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp. 56  Ta xét quá trình hòa tan tương hỗ của hệ butanol - nước. Cho một lượng butanol vào nước, khuấy trộn kỹ rồi để cân bằng, hệ sẽ tách làm hai lớp : – Lớp butanol bão hòa hơi nước. – Lớp nước bão hòa butanol. Hình 6.15. Sự phân lớp của hệ butanol - nước 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 15 57  Theo quy tắc pha Gibbs: (P = const)  Nên: ở mỗi nhiệt độ thành phần 2 pha là xác định, khi nhiệt độ thay đổi thì thành phần của cả hai pha thay đổi theo.  Biểu đồ hòa tan đa nhiệt (T - x) của hệ butanol - nước được biểu diễn trên hình 6.16. 11221fkc  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 58 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 Vùng đồng thể Vùng dị thể(hai dung dịch liên hợp)  Điểm hòa tan tới hạn K: c= 2 -2 = 0 (P, T = const)  Xét quá trình đa nhiệt của hệ Q1: Nhiệt độ : T1  T2  T3. Điểm hệ: Q1  Q2  b3. Điểm pha n: n1  n2  n3. Điểm pha b: b1  b2  b3. 59  Phuơng pháp hóa lý, người ta quan niệm đường cong (T - x) là quỹ tích những điểm mà trong hệ có sự chuyển từ vùng đồng thể sang vùng dị thể (hay ngược lại). Biểu hiện bề ngoài của hiện tượng này là sự chuyển từ “trong” sang “đục” (hay ngược lại).  Như vậy, ta sẽ lập các hệ có thành phần khác nhau, rồi xác định các nhiệt độ mà ở đó có sự chuyển pha (bằng các lần lượt tăng, rồi giảm nhiệt độ và xác định tọa độ các điểm chuyển pha đó) từ kết quả trung bình xây dựng giản đồ (T - x). 6.3.5. Hệ hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn 6.3.5.2. Phương pháp xây dựng giản đồ “nhiệt độ - thành phần” (T - x) 60  Trong thực tế thường gặp nhiều hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn vào nhau, ví dụ như những hệ: vinylaxetat - nước - axit axetic, cloroform - axit axetic - nước  Tính tan lẫn của các hệ này phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và hầu như không phụ thuộc vào áp suất. 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn 16 6.3.6.1. Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt (x - x - x) 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn  Xét hệ A – B – C ở P, T = const. Hình 6. 17: Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt của hệ 3 cấu tử Vùng dị thể Vùng đồng thể Quy tắc Tarachenco: Những đường thẳng nối các cặp dung dịch liên hợp sẽ gặp nhau tại một điểm. A – B, B – C: hòa tan vô hạn. A - C hòa tan có giới hạn. 6.3.6.1. Giản đồ hòa tan đẳng nhiệt (x - x - x) 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn  Xét quá trình đẳng nhiệt của hệ Q: Điểm hệ: Q1  Q2  a2. Điểm pha a: a1  a1  a2. Điểm pha b: b  b1  b2. c= 1 Hệ nằm ở điểm Q1: c= 2 c= 0 6.3.6.2. Giản đồ hòa tan đa nhiệt (x - x - x) 6.3.6. Hệ ba chất lỏng tan lẫn có giới hạn  Xét hệ A – B – C ở P = const. Hình 6. 18: Giản đồ hòa tan đahiệt của hệ 3 cấu tử Vùng dị thể Vùng đồng thể A – C, B – C: hòa tan vô hạn. A - B hòa tan có giới hạn. Nếu cắt giản đồ không gian bằng những mặt phẳng đẳng nhiệt, ta sẽ thu được những giao tuyến của chúng với mặt cong, đó chính là các đường hòa tan đẳng nhiệt Nếu chiếu các giao tuyến này xuống mặt đáy, ta sẽ được giản đồ hòa tan đa nhiệt trong mặt phẳng 64  Chiết tách hay trích ly là quá trình lấy một chất ra khỏi một dung dịch (hoặc một hệ) bằng một dung môi không tan (hay rất ít tan) vào dung dịch này nhưng lại có khả năng hòa tan chất tan tốt hơn.  Cơ sở của quá trình này là dựa vào lý thuyết hệ dung dịch 3 cấu tử A - B - C. ( A- B, A – C: tan lẫn; B – C : ít hoặc không tan). 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố 17 65 Như vậy đã tách được gần hết A ra khỏi B bằng dung môi C. Để có được A nguyên chất ta có thể dùng thêm các phương pháp khác bổ sung, như dùng quá trình chưng cất sau khi tiến hành chiết tách. 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố  Hệ M0 là dung dịch của chất A tan trong dung môi B.  Đường CM0 thêm vào hệ M0 một chất C hầu như không tan vào B.  Tại điểm M, hệ sẽ tách thành 2 pha: pha b gồm chủ yếu là cấu tử B và pha a là dung dịch của A tan trong C. c= 1 66  Định luật phân bố Nernst: “Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, tỷ số nồng độ của một chất tan trong hai dung môi không tan lẫn là một hằng số không phụ thuộc vào lượng tương đối của chất tan và dung môi”. K C C B/Y A/Y  6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố Trong đó: CY/A và CY/B là nồng độ của chất tan Y trong dung môi A và trong dung môi B. K là hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nó được gọi là hệ số phân bố. 67 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: 0 1 C 1 dd/Y dm/Y V x V xa K C C   Sau lần chiết thứ n: n C0 0 n V.KV V ax         Sau lần chiết thứ 1: 6.3.7. Quá trình chiết tách, trích ly và định luật phân bố