Báo cáo hóa lý bài 2 | Môn Hóa lý 1,2 - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58728417
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HOÁ 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 không
tạo hợp chất hóa học hay dung dịch rắn. II. LÝ THUYẾT.
• Phương pháp phân tích nhiệt đặt trên cơ sở nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ của một hệ
nguội hay nóng dần theo thời gian.
• Ở áp suất nhất định, nhiệt độ kết tinh của một nguyên chất không đổi và giữ nguyên
trong suốt quá trình kết tinh.
• Đối với dung dịch, nhiệt độ bắt đầu kết tinh phụ thuộc vào thành phần dung dịch và
trong quá trình kết tinh một cấu tử, nhiệt độ giảm dần cho đến khi xuất hiện cấu tử thứ
hai cùng kết tinh thì nhiệt độ giữ nguyên Te (ứng với nhiệt độ eutecti) cho đến khi quá
trình kết tinh kết thúc. Sau đó nhiệt độ tiếp tục giảm.
• Trên hình 1 , đường nguội (1) và (6) ứng với A và B nguyên chất. Đường (2), (4), (5)
ứng với hỗn hợp có giá trị %B tăng dần. Đường (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).
Những điểm này xác định dễ dàng vì ở đó độ dốc của các đường biểu diễn thay đổi do
tốc độ giảm nhiệt độ trước và trong khi kết tinh không giống nhau. lOMoAR cPSD| 58728417
• 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 hoàn toàn 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 đường 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. lOMoAR cPSD| 58728417 III. THỰC NGHIỆM.
1. Dụng cụ và hóa chất. Dụng cụ Số lượng Hóa chất Số lượng Ống nghiệm 8 Hỗn hợp Naphtalene 8 ống Bếp điện 1 – Diphenylamine đã pha sẵn theo đúng Nhiệt kế rượu 100 C 8 thành phần trong 8 Đũa khoấy vòng bảng. 1 Becher 500mL 1 Chậu nhựa 8 Nút cao su lOMoAR cPSD| 58728417
2. Quy trình thí nghiệm.
Chuẩn bị các hỗn hợp dung dịch naphtalene và diphenylamine được pha với các tỉ lệ xác định: Ống 1 2 3 4 5 6 7 8 Naphtalene 10 8 6 4.5 3 2.5 1 0 Diphenylamine 0 2 4 5.5 7 7.5 9 10 Lấy ống nghiệm ra
Ghi nhiệt độ 1lần/phút cho đến
Đun cách thủy các ống ngoài và lau khô khi hỗn hợp hoàn toàn đông đã chuẩn bị đến khi
đặc. Đánh dầu và ghi nhận lại chảy lỏng hoàn toàn
nhiệt độ khi bắt đầu kết tinh. 3. Chú ý.
• Khi nhiệt độ các ống nghiệm nguội đến khoảng 40 C thì sử dụng ống bao không khí bên
ngoài ống nghiệm và nhúng vào hỗn hợp “nước + một ít nước đá” (nhiệt độ nước làm
lạnh không dưới 20 C) và ghi nhận nhiệt độ cho đến khi nhiệt độ giảm xuống đến 28 C
thì ngưng thí nghiệm.
• Không được rút nhiệt kế ra khỏi ống nghiệm khi thành phần trong ống nghiệm chưa tan
hoàn toàn sẽ làm gãy nhiệt kế.
• Không đun quá lâu vì sẽ làm chất rắn thăng hoa bám lên thành ống.
IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• Ở điều kiện nhiệt độ phòng (25 C), ta xem như: DNaphtalene = 1.14g/ml DDiphenylamine = 1.2g/ml • Ta có: mdd = D.V lOMoAR cPSD| 58728417
• Từ đó ta rút ra được: C%Naphtalene và C% Diphenylamine
Bảng 1: Thành phần khối lượng của từng ống đã chuẩn bị Ống %Naphtalene %Diphenylamine 1 100 0 2 79.17 20.83 3 58.76 41.24 4 43.73 56.27 5 28.93 71.07 6 24.05 75.95 7 9.55 90.45 8 0 100 ❖ Kết quả thô:
Bảng 2: Nhiệt độ đông đặc hoàn toàn theo thời gian của các ống nghiệm Thời gian Nhiệt độ ( C) (phút)
Ống 1 Ống 2 Ống 3 Ống 4 Ống 5 Ống 6 Ống 7 Ống 8 1 86,4 81,2 77,8 75,5 79,5 82 71,8 68,8 2 79,2 72,4 66,3 54,2 58,5 79 62,8 62,8 3 79,8 69,8 57,3 49,8 55 71 57,5 59,5 4 78,8 67,8 55,2 45,7 51 66 46,7 52,2 5 78,6 54,3 43,8 48,8 57 46,2 51,9 6 76,7 53,8 43 46,5 51 45,8 51,8 7 76,1 42,7 42,9 45 45,2 51,5 8 74,8 41,8 44 50,8 lOMoAR cPSD| 58728417 9 39,5 43 50,2 10 38,3 41.5 50 11 37 40.5 49,5 12 35,8 38 13 34,8 37 14 34,4 34,5 15 29,8 34 16 29,5 33
• Ghi chú: Nhiệt độ in đậm gạch dưới là nhiệt độ bắt đầu kết tinh của các hỗn hợp. ❖ Kết quả tính:
• Đồ thị nhiệt độ - thời gian của hệ naphtalene và diphenylamine:
Biểu đồ 1: Đồ thị nhiệt độ - thời gian của hệ naphtalene và diphenylamine
Đồ thị nhiệt độ - thành phần của hệ naphtalene và diphenylamine: Ống 1 2 3 4 5 6 7 8
%Diphenylamine 0 20.83 41.24 56.27 71.07 75.95 90.45 100 Nhiệt độ ( C) 79,2 72,4 57,3 45,7 34,5 37 46,7 52,2 lOMoAR cPSD| 58728417
Biểu đồ 2: Giản đồ nhiệt độ kết tinh-thành phần của hệ Diphenylamine Naphtalene ❖ Nhận xét:
a. Trong giản đồ nhiệt độ-thời gian
− Các ống (1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8) trong giản đồ nhiệt độ - thời gian ở trên là các đường
cong nguội lạnh tương ứng với thành phần cấu tử trong hỗn hợp tương ứng.
− Ống (1),(8): lần lượt ứng với Naphtalene và Diphenylamine nguyên chất.
− Đường (2),(3),(4),(5),(6),(7): có cùng 1 thời điểm mà tại đó đồ thị của chúng là những
đường nằm ngang. Điểm đó ứng với quá trình kết tinh Eutectic (có sự kết tinh đồng thời
của cả Diphenilamine và Naphtalene).
b. Trong giản đồ nhiệt độ - thành phần
− Điểm a và b ứng với nhiệt độ kết tinh của Naphtalene và Diphenylamine nguyên chất.
− Đường AeB gọi là đường lỏng.
− Đường aABb gọi là đường rắn.
− Vùng nằm phía trên đường lỏng, hệ chỉ gồm 1 pha là dung dịch lỏng Naphtalene - Diphenylamine.
− Vùng nằm phía dưới đường rắn: hệ dị thể bao gồm 2 pha rắn: rắn Naphtalene và rắn Diphenylamine. lOMoAR cPSD| 58728417
− Vùng nằm giữa đường lỏng và đường rắn, trong hệ tồn tại 2 pha cân bằng lỏng – rắn. −
Đường cong ae mô tả nhiệt độ bắt đầu kết tinh của rắn Naphtalene từ những dung dịch có
thành phần nằm trong khoảng Ae.
− Đường ae mô tả cân bằng giữa rắn Naphtalene và dung dịch bão hòa Naphtalene, nên nó
mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ hòa tan của rắn Naphtalene vào nhiệt độ, vì vậy còn có thể gọi
là đường hòa tan của Naphtalene (hay đường kết tinh của Naphtalene).
− Tương tự ta có, đường cong be mô tả nhiệt độ bắt đầu kết tinh của rắn Diphenylamine từ
những dung dịch có thành phần nằm trong khoảng eB (còn gọi là đường hòa tan của Diphenylamine).
− Điểm e gọi là điểm eutectic, tại đây có sự kết tinh đồng thời của Naphtalene và Diphenylamine.
− Khi điểm pha lỏng đạt điểm eutecti, dung dịch bão hòa cả hai cấu tử, từ đó Naphtalene
và Diphenylamine sẽ đồng thời kết tinh (cho đến khi toàn bộ hệ trở thành rắn), trong giai
đoạn đó hệ bao gồm ba pha cân bằng có c = k − f + 1 = 2 − 3 + 1 = 0 → trong suốt quá
trình kết tinh ra hai pha rắn từ dung dịch, nhiệt độ của hệ và thành phần pha lỏng không thay đổi.
❖ Các khó khăn thường mắc phải trong quá trình thí nghiệm:
− Trong quá trình thực hành nhiều lần giữa các nhóm, các ống nghiệm có thể sẽ mất đi độ
chính xác về tỉ lệ giữa Naphtalene và Diphenylamine trong ống dẫn đến nhiệt độ có thể bị
sai lệch so với tiêu chuẩn.
− Biện pháp khắc phục: tiến hành chuẩn bị lại các 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? Hệ 1 cấu tử Hệ 2 cấu tử lOMoAR cPSD| 58728417 Đường cong
Những nhánh gần như dốc Một nhánh dốc gần thẳng đứng nguội lạnh
thẳng đứng, chứng tỏ có sự (nguội nhanh), khi tới nhiệt độ bắt
nguội khá nhanh, khi tới nhiệt
độ kết tinh thì có một đọan đầu kết tinh thì nguội chậm lại do có
thẳng ngang chứng tỏ nhiệt độ nhiệt kết tinh được tỏa ra nhưng không đổi
chưa đủ để làm cho nhiệt độ không
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 Kết tinh
Nhiệt độ mới lại tiếp tục hạ Từ dung dịch sẽ cho ra tinh thể
thấp, do đó lại có một nhánh nguyên chất một hoặc cả hai tinh thể
dốc, nhưng kém dốc hơn cùng một lúc là tùy thuộc vào thành nhánh đầu tiên
phần của mỗi cấu tử trong dung dịch
so với thời điểm eutecti của hệ
2. Hỗn hợp eutectic là gì, ứng dụng?
- Hệ eutecti là một hỗn hợp của các hợp chất hoặc nguyên tố hóa học mà trong đó có
một hợp phần hóa rắn ở nhiệt độ thấp hơn các hợp phần khác trong hỗn hợp đó. Hợp
phần này được gọi là thành phần eutecti và nhiệt độ kết tinh này gọi là nhiệt độ eutecti. - Ứng dụng:
• Natri clorua và nước tạo thành eutectoid khi hỗn hợp có 23,3% muối theo khối lượng
với điểm eutectic ở -21,2 độ C. Hệ thống được sử dụng để làm kem và làm tan băng tuyết.
• Điểm eutectic của hỗn hợp etanol và nước là etanol gần như nguyên chất. Giá trị này
có nghĩa là có bằng chứng hoặc độ tinh khiết tối đa của rượu có thể thu được bằng cách chưng cất. lOMoAR cPSD| 58728417
• Hợp kim eutectic thường được sử dụng để hàn. Thành phần điển hình là 63% thiếc
và 37% chì theo khối lượng.
• Các kim loại thủy tinh eutectoid có độ bền và chống ăn mòn cực cao.
• Mực máy in phun là một hỗn hợp eutectic, cho phép in ở nhiệt độ tương đối thấp.
• Galinstan là một hợp kim kim loại lỏng (bao gồm gali, indium và thiếc) được sử
dụng làm chất thay thế thủy ngân có độc tính thấp.