Bài giảng Hóa lý Silicat - Chương 5: Biểu đồ pha

Nội dung text: Bài giảng Hóa lý Silicat - Chương 5: Biểu đồ pha

1. NỘI DUNG TRÌNH BÀY Các khái niệm cơ bản Hệ 1 cấu tử Hệ 2 cấu tử Hệ 3 cấu tử 2
2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Hệ (hệ thống)  Cấu tử  Pha  Trạng thái cân bằng  Bậc tự do  Phương trình quy tắc pha  Biểu đồ pha (giản đồ pha)  Công dụng của biểu đồ pha 4
3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Cấu tử (component): là các phần tử vật chất (nguyên tố (nguyên chất) hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo nên hệ.  Số cấu tử: Là số các phần tử vật chất (với con số tối thiểu) có thể tạo nên một hệ đầy đủ các tính chất cần thiết.  Pha (phase): Là phần hệ có cùng thông số hóa lý và nhiệt động, (là phần đồng thể của hệ, có cấu trúc và tính chất vật lý, hóa học và cơ học xác định) phân biệt với các pha khác bằng bề mặt phân chia pha  Ví dụ: nước ở 0oC là hệ 1 cấu tử và có 2 pha. 6 6
4. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Trạng thái cân bằng:  “Cân bằng của một hệ là trạng thái của vật chất trong phản ứng khi có tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch”.  Cân bằng của một hệ có thể phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: nhiệt độ, áp suất, và nồng độ.  Hệ ở trạng thái cân bằng ổn định khi các pha của nó đều có năng lượng tự do Gibbs nhỏ nhất trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định.  Năng Lượng Gibbs: G = H - TS  enthalpy H, entropy S và nhiệt độ T). 8 8
5. Qui tắc pha Gibbs  Quan hệ F, P và k của hệ cân bằng.  Hệ có k cấu tử , thế hóa mi của từng cấu tử phải bằng nhau: a b P m1 m 1 m 1  G a b P m i m2 m 2 m 2 ni T,, P n ji  Cần (k – 1) yếu tố xác định thành phần mỗi pha. Hệ P pha cần P(k – 1) yếu tố. Tính cả T & P, có P(k – 1) + 2 yếu tố biến đổi.  Có k(P – 1) pt thế hóa:  Số yếu tố có thể biến đổi: P(k – 1) + 2  Yếu tố cố định theo thế hóa: k(P – 1)  Số thực sự có thể biến đổi: F =[P(k – 1)+2]–[k(P – 1)] F= k–P + 2 10
6. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Biểu đồ pha của 1 hệ  Là công cụ đồ họa để biểu thị mối quan hệ giữa các tham số trạng thái (T, P, c) của hệ hóa lý ở trạng thái cân bằng.  Đối với Silicát: thông thường là hệ ngưng tụ, không xét pha khí.  Dùng số liệu thực nghiệm, vì vậy, có thể tồn tại nhiều dạng biểu đồ pha mô tả một hệ thực. 15
7. GIẢN ĐỒ PHA 1 CẤU TỬ 17
8. Biểu đồ pha 1 cấu tử khi xét 2 thông số trạng thái T, P A. E. McHale, Phase diagrams and ceramic processes. Chapman & Hall, 1998, p 71 19
9. Biểu đồ pha 1 cấu tử khi chỉ xét thông số trạng thái T  Cấu trúc giản đồ trạng thái: Hệ 1 cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có 1 trục nhiệt độ trên đó ghi nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có): L (Loûng) 1539 -Fe (A2 maïng lptk) C o 1392 -Fe (A1 maïng lptm) Nhieät ñoä ñoä Nhieät -Fe (A2 maïng lptk) 911 GIAÛN ÑOÀ PHA CUÛA Fe 24
10. Carbon Allotropes: different structures for one substance (usually in elemental solids) Not so easily classified as ceramics, metals or semiconductors . 26
11. 0 0 870 C 0 1470 C 1728 C Lỏng nguội nhanh – quartz –Tridymite -Cristobalite 0 nguội chậm 573 C 1630C 180-2800C – quartz – Tridymite -Cristobalite 1170C Thủy tinh – Tridymite Các dạng Khối lượng riêng thù hình Hệ tinh thể (g.cm-3) Điều kiện hình thành -quartz Ba phương 2,65 200C -quartz Sáu phương 2,53 6000C -tridymite Thoi 2,26 200C -tridymite Sáu phương - - -tridymite Sáu phương 2,22 2000C -cristobalite Bốn phương 2,32 200C -cristobalite Lập phương 2,20 5000C Keatite Bốn phương 2,50 380–5850C ( 35–126MPa) Stishovite .- 4,35 600–14000C,(1–1,8.104MPa) Coesite Một nghiêng 2,93 500 – 17000C, (3,5.103MPa) 35
12. Crystalline Silica (SiO2 dạng tinh thể) Mỗi ion O được dùng chung bởi 2 tứ diện 37
13. Các dạng thù hình của SiO2 ở nhiệt độ và áp suất cao 39
14. MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ SiO2  5.6.1 Vật liệu từ SiO2 tinh khiết  Chế tạo: phóng tia lửa điện qua cát quartz, hơặc quartzite rồi lấy  Đơn tinh thể silic ( SiO2> 99%) ít gặp và rất quí. thủy tinh từ cát đã nóng chảy. Nấu lại ở nhiệt độ cao hơn, trong lò  SiO v.đ.h: quarzite (SiO > 99% ) 2 2 0 hoặc opal, diatomite, tro núi lửa. điện (khoảng 2000 C) sẽ thu được thủy tinh quartz đồng nhất hơn.  quay đơn tinh thể SiO2  Thủy tinh quartz > 99,99% SiO2 :  Ứng dụng: gốm áp điện (tính áp kính thiên văn Haple, cáp quang điện ổn định, bền hóa, bền phóng ngưng tụ các muối silic như SiCl4 xạ, đồng nhất quang học ). từ pha hơi. Ngưng tụ trong các  Thủy tinh quartz mật độ thiết bị đặc 2210kg/m3, trong suốt với tia hồng  SiCl + O = SiO + 2Cl ngoại, tử ngoại & như ánh sáng 4 2 2 2 nhìn thấy.  SiCl4 + 2H2O = SiO2 + 4HCl.  HSDNN rất thấp (5,2.10-7.K-1 trong khoảng 20 – 8000C), rất bền nhiệt, cách điện tốt (e~4,6), bền hóa 41
15. “Đá phong thủy” 43
16. ĐỘ CỨNG MOHS 45
17. Vật liệu chịu lửa silic (hoặc dinas)  Thể tích lỗ xốp trong sản phẩm không những không giảm mà còn có thể tăng, mật độ giảm, viên gạch thành phẩm có thể tích lớn hơn gạch mộc khoảng 20%.  Để tránh biến đổi thù hình quá nhanh gây nứt vỡ sản phẩm, phải có tốc độ nung phù hợp.  Thời gian nung gạch chịu lửa silic tương đối dài do tốc độ tăng, giảm nhiệt độ đều rất chậm, thời gian lưu ở nhiệt độ cao rất lâu (tới vài ba ngày/mẻ nung). 47
18. PHÂN BIỆT CHẤT KHOÁNG HÓA VÀ XÚC TÁC  Chất khoáng hóa tăng tốc độ chuyển  Kết khối pha rắn: CKH tạo d.d. rắn, hóa, ổn định khoáng cần thiết. chuyển dạng sai sót cấu trúc, làm cân  Tác dụng phụ thuộc cơ chế phản ứng. bằng tĩnh điện, nhờ đó tinh thể. Bền.  Kết khối pha lỏng: tăng lượng pha  Một số dạng thù hình chỉ bền khi có lỏng, giảm nhiệt độ xuất hiện pha lỏng, CKH ( -tridymite chỉ tồn tại khi có tạo d.d. quá bão hòa giúp kết tinh Fe2O3, CaO ) khoáng cần thiết.  Chất xúc tác và khoáng hóa cùng tác dụng giảm năng lượng hoạt hóa.  nhiệt độ tạo pha lỏng hệ CaO – SiO2 là 0 0 1436 C, hệ SiO2 – FeO là 1177 C,  Bản chất khác nhau: Chất xúc tác không 0 SiO2 – Fe2O3 là 1455 C, SiO2 – MgO là tham gia phản ứng, có thể thu hồi sau 15430C. Như vậy, FeO tạo pha lỏng tốt phản ứng, còn CKH tham gia phản ứng, nhất, MgO hầu không có tác dụng, hoặc nóng chảy tạo pha lỏng, hoặc  CKH ngăn quá trình hòa tan tinh thể khuếch tán tạo d.d. rắn ) không thể thu cần thiết (OH- và F- thường ngăn hòa hồi sau phản ứng . tan các tinh thể silicát).  GCL Silic: CKH CaO, FeO, Fe2O3, CaF2 làm phụ gia khoáng hóa tạo tridymite và cristobalite. Đặc biệt trydimite có dạng hình kim 49
19. THANK YOU 51