Báo cáo tiểu luận NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC
GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC VÀ CACBON GVHD: PGS TS. Nguyễn Ngọc Hạnh SVTH :
Nguyễn Thị Thu Hà Hoàng Anh Huy 1
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
1 Nội dung
+D / m
o c . le
G
g o o
2
n ơ h VÀ GiẢN ĐỒ NƯỚC N y u Q PHA CỦA NƯỚC. m è K ạy
CACBON VÀ GiẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
2
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
NƯỚC VÀ GIẢN ĐỒ PHA NƯỚC NƯỚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC
y GIẢN u Q m ĐỒ è K PHADạy + / m NƯỚC o c . le Ở ÁP g o o SUẤT G THẤP
n ơ Nh
GIẢN ĐỒ PHA NƯỚC Ở ÁP SUẤT CAO
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
3
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
NƯỚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC Nước chiếm ¾ bề mặt trái ñất
Tất cả các dạng sống tạo nên từm/+D o c . nước. gle
n ơ Nh
m è K y ạ
y u Q
o o G
Nước cần thiết ñến sự sống trên trái ñất .
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
4
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
5
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
CÁC LOẠI NƯỚC Nước nhẹ
H2 O
Nước nặng
y u Q
(M=18)
nước thường m è 99,8% tổng K y ạnhiên, nước tự D + n.n / 0,2% m
o c . le
Nước siêu nặng
T2 O
n ơ Nh
G
(M=22)
g o o
HDO
(M=19)
Nước nặng
D2 O
(M=20)
.
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
6
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
7
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA NƯỚC Dung môi
n ơ Nh
y Thấm ướt u Q m è K Sức căng bề mặt y ạ +D / Tỷ trọng m o c . e l g Nhiệt dung riêng oo G
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
8
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
♦ Nước là dung môi thông dụng n ơ Nh
www.daykemquynhon.ucoz.com
y u QHòa tan ñược
+D / m
o c . le
G
g o o
m è K nhiều chất: vô y ạ
cơ và hữu cơ. Đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống.
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
9
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
♦ Tính thấm ướt nước phụ thuộc vào bản chất của bề mặt
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
10
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Sức căng bề mặt lớn
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
11
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước đá nhẹ hơn nước lỏng
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
12
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tỷ trọng lớn nhất của nước ở 4oC
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
13
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
14
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
So sánh nhiệt dung riêng của nước và chất khác
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
15
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA NƯỚC Phức tạp,1 số ñiểm ba, 2 ñiểm n tới hạn. ơ h N Nhiệt ñộ & áp suất y u Q thấp m nhiều pha tinh thể è K y chưa ổn ñịnh. ạ +D Áp suất thấp (ice lục / m o c . phương (Ih), lập e l g o o phương (Ic) , XI). G Áp suất cao (ice VII, VIII, X) & dạng khác ở 200-2000 MPa. Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
16
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA NƯỚC ÁP SUẤT THẤP
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
17
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Pha nước tại áp suất khí quyển ở nhiệt ñộ khác nhau
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
18
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Trạng thái quá nhiệt của nước
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
19
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Giản ñồ pha P-T nước metastable
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
20
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Sự chuyển pha giữa các pha nước
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
21
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá lục phương (Ih) n ơ Nh
y Ih có những uñiểm ba: Q m +Nước lỏng và hơi nước è K y (0.01 °C,Dạ612 Pa); + / m +Nước lỏng và nước ñá –III o c . le (-21.985 °C, 209.9 MPa); g o o G +Nước ñá -II và nước ñá – III (-34.7 °C, 212.9 MPa).
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
22
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Sự tạo hình dạng tinh thể tuyết
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
23
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá dạng lập phương (Ic và nước ñá XIc) n ơ Nh
Dạng không ổn ñịnh uy Q m è K ạy
Tạo +D thành bằng cách / m o ngưng tụ nước bay hơi ở c . le g o áp suất phòng và nhiệt o G ñộ thấp.
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
24
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá -XI n ơ Nh
Nước ñá XI y là xắp xếp u phân tử èổn mQñịnh của nước ñá K y Ih Dạ + / om Quá trình biến ñổi từ Ih c . lexảy ra rất chậm. g o o Có 1ñiểm ba với nước ñá G Ih và hơi nước (72 K, ~0 Pa).
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
25
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA NƯỚC ÁP SUẤT CAO
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
26
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Những nước ñá áp suất cao hơn áp suất khí quyển n ơ Nh
y with u Ice II : a structure Q m ordered protons yKè ạ D Metastable ice III and + / m o proton – ordered stucture ice c . le g o IX o G Metastable ice IV and monoclinic ice V Tetragonal ice XII Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
27
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá – II, III, IV, V, XII
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
28
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá ở áp suất cao Ice VI : tetragonal, d = 1.31 g/cm3
n ơ (- 175 oC , 1 bar) h N y u Ice VII :H - atoms disordered ;d= Q m è 1.599 g/cm3 K y ạ D + Ice VIII : is formed by cooling of / m o c . ice VII ; protons are ordered ; d = e l g o o 1.628 g/cm3 G Ice X : is formed from ice VII by increasing the pressure to 165 GPa = 1.65 Megabar , d = 3.65 g/cm3 29 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá – VI, VII, VIII, X
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
30
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Nước ñá –XIII, XIV, XV
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
31
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON Nội dung trình bày: 1) Sơ lược về cacbon. +D / m
m è K y ạ
n ơ Nh
y u Q
2) Các dạng thù hình co phổ biến của cacbon. . e gl
o o G
3) Giản đồ pha của cacbon. 4) Ứng dụng. Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
32
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 1. Sơ lược về nguyên tố Cacbon (C). n ơ Nh
y u Q
m è Là phi kim, hóa trị ạ4, yK Số khối 6 +D / m 12 o Nguyên tử lượng c . le g o 12C (98.9 %), 13C (1.1 %), o Có 3 ñồng vị: G
14C
(khoảng 1/1012)
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
33
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 2. Các dạng thù hình phổ biến của cacbon n ơ Nh
Các ngtố cacbon tự lk với nhau tạouyra nhiều dạng thù
Q m ènhất là 3 dạng sau: hình phức tạp, nhưng phổ biến K y ạ D + / - Graphite (có trong thạch anh, calcit, mica, …) m o c . - Kim cương le g o o G hình (thành phần chính của than, - Cacbon vô ñịnh
muội, bồ hóng, nhọ nồi, than ñá, than hoạt tính, …)
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
34
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 2. Các dạng thù hình phổ biến của cacbon n ơ Nh
www.daykemquynhon.ucoz.com
a. uy Kim cương
+D / m
o c . le
G
g o o
Q m è b. K ạy c.
Graphite Lonsdaleite
d, e, f. Fullerenes (C60, C540, C70) g. h.
Amorphous Cacbon Cacbon nanotube,
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
35
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 3. Giản ñồ pha của cacbon. n ơ Nh
y u Q
m nên các pha. Nhiệt ñộ và áp suất tạo è K
Hai “ñiểm ba”. o .c
+ / m
le g o
y ạ D
o metastable (siêu bền). Ba vùng G
So sánh ảnh hưởng của P và T (lên ∆V). Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
36
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON
www.daykemquynhon.ucoz.com
n ơ Nh
+D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
37
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 4. Ứng dụng. n ơ Nh
y sản phẩm phục - Tổng hợp hữu cơ hóa dầu (tạo ra vô usố
Q m è K vụ cho các nhu cầu thiết yếu của con người). y ạ D + / - Là nền tảng của ngànhom hữu cơ (các hydrocacbon, …). c . le g 14 - C ñược sử dụng otrong xác ñịnh niên ñại bằng phóng xạ. o G - Graphit kết hợp với ñất sét ñể tạo ra 'chì' sử dụng trong các bút chì.
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
38
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 4. Ứng dụng.
-
-
n ơ Nh
Kim cương được sử dụng vào mục đích trang uy sức hay trong các
Q m èhỏi độ cứng cao. K mũi khoan và các ứng dụng khác đòi y ạ +D / Cacbon được thêm vào quặng m sắt để sản xuất gang và thép.. o c . le g Cacbon dưới dạng than o chì được sử dụng như là các thanh điều o G tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân.
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
39
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON 4. Ứng dụng.
n ơ Nh
y u Q được sử dụng: là - Graphit cacbon trong dạng bột, bánh m è K y ạ than để đun nấu, bột màu +D trong mỹ thuật. / m o c . le sử dụng trong y tế trong dạng - Than hoạt tính được g o o G bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở, … Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
40
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
n ơ Nh
Thanks for your listening ! +D / m
m è K y ạ
y u Q
o c . le
G
g o o
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
41
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................................1 PHẦN I. NƯỚC VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC ...........................................................................4 CHƯƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NƯỚC ............................................................4 I. Giới thiệu về nước .........................................................................................................................4 II. Thành phần cấu tạo của nước ......................................................................................................4 II.1. Cấu tạo dạng đơn phân tử .........................................................................................................4 II.2. Cấu tạo dạng liên hợp của nước ................................................................................................5 III. Trạng thái tồn tại của nước ........................................................................................................6
n ơ h
IV. Những tính chất cơ bản của nước ...............................................................................................6
N y u
IV.1. Tính chất vật lý ........................................................................................................................6 IV.2. Sự hòa tan các chất trong nước ................................................................................................9
Q m è K ạy
IV.2.1. Sự hòa tan chất rắn trong nước .............................................................................................9 IV.2.2. Sự hòa tan chất khí trong nước ........................................................................................... 10 IV.2.3. Sự hòa tan chất lỏng trong nước .......................................................................................... 10
D + m/
IV.3. Những tính chất đặc biệt của nước ......................................................................................... 11 IV.3.1.Tính chất đặc biệt của pha nước........................................................................................... 13
o c . le
IV.3.2. Tính chất đặc biệt về khối lượng riêng của nước ................................................................. 13
g o o
IV.3.3. Tính chất đặc biệt của vật liệu nước .................................................................................... 14 IV.3.4. Tính chất bất thường về nhiệt động học của nước. .............................................................. 14
G
IV.3.5. Tính chất vật lý khác thường của nước ............................................................................... 15 CHƯƠNG 2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC..................................................................................... 16 I. Giản đồ pha của nước .................................................................................................................. 16 II. Tính chất của giản đồ pha .......................................................................................................... 18 II.1. Sự thay đổi về khối lượng riêng của nước................................................................................ 18 II.2. Điểm ba ................................................................................................................................... 20 II.3. Những pha nước đá ................................................................................................................. 22 III. Giản đồ pha nước ở áp suất thấp .............................................................................................. 28 III.1. Nước đá dạng lục phương (Ih) ............................................................................................... 28 III.1.1. Một vài tính chất vật lý ....................................................................................................... 28
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 1
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học III.1.2. Mầm nước đá và sự phát triển mầm ................................................................................... 31 III.2. Nước đá dạng lập phương (Ic và nước đá XIc)....................................................................... 33 III.3. Nước đá – XI.......................................................................................................................... 35 III.4. Nước đá vô định hình và dạng thủy tinh của nước ................................................................. 37 III.4.1. Nước lạnh không ổn định .................................................................................................... 37 III.4.2. Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh ............................................................................................ 39 III.4.3. Nước đá vô định hình tỷ trọng thấp (LDA) ......................................................................... 40 III.4.4. Nước đá vô định hình tỷ trọng cao (HDA) ........................................................................... 40 IV. Giản đồ pha nước ở áp suất cao ................................................................................................ 43 IV.1. Nước đá – II ........................................................................................................................... 43
n ơ h
IV.2. Nước đá – III.......................................................................................................................... 45 IV.3. Nước đá – IV .......................................................................................................................... 47
N y u
IV.5. Nước đá – VI .......................................................................................................................... 50
Q m è K ạy
IV.6. Nước đá – VII ........................................................................................................................ 51 IV.7. Nước đá – VIII ....................................................................................................................... 54 IV.8. Nước đá – IX .......................................................................................................................... 55
D + m/
IV.9. Nước đá – X ........................................................................................................................... 56 IV.11. Nước đá – XIII ..................................................................................................................... 58
o c . le
IV.12. Nước đá – XIV ..................................................................................................................... 59 IV.13. Nước đá – XV ....................................................................................................................... 59
g o o
PHẦN 2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON ...................................................................................... 61
G
CHƯƠNG 3. CACBON VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON ......................................................... 61 I. Sơ lược về nguyên tố Cacbon (C). ................................................................................................ 61 I.1. Ba dạng thù hình phổ biến nhất của Cacbon ............................................................................ 61 I.1.1. Cacbon vô định hình .............................................................................................................. 61 I.1.2. Graphite: (còn gọi là than chì) ............................................................................................... 61 I.1.3. Kim cương ............................................................................................................................. 61 II. Cấu trúc của các dạng tồn tại phổ biến của Cacbon. .................................................................. 62 II.1. Kim cương............................................................................................................................... 62 II.2. Graphit hay than chì ............................................................................................................... 62 II.3. Cacbon vô định hình (chất dạng thủy tinh). ............................................................................ 62 II.4. So sánh cấu trúc của Cacbon ................................................................................................... 62
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 2
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học III. Giản đồ pha của Cacbon. .......................................................................................................... 64 IV. Ứng dụng của Cacbon............................................................................................................... 66 V. Kết luận ..................................................................................................................................... 71 VI. Mở rộng (đọc thêm). ................................................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................... 80
n ơ h
www.daykemquynhon.ucoz.com
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
G
g o o
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 3
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học PHẦN I. NƯỚC VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC CHƯƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NƯỚC I. Giới thiệu về nước Nước là một chất duy nhất có mặt khắp nơi mà nó là thành phần chính của tất cả các sinh vật sống. Bản chất và tính chất của nước thì luôn được các nhà triết học, nhà nghiên cứu sinh vật học, và nhà khoa học tìm hiểu và khám phá kể từ thời xa xưa. Và ngày nay nước tiếp tục thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học vì sự hiểu không rỏ ràng, và những điều bí ẩn về nước và cấu trúc của nước mặc dù nó được nghiên cứu suốt nhiều năm qua. Điều này rất tất yếu vì nước có nhiều tính chất vật lý và tính
n ơ những mặt ảnh hưởng của nước đến kích thước và hình dạng của sinh vật, cơ chế hoạt h Nthì đang được các nhà động của nước nước như thế nào, những tính chất vật lý giới hạn y u khoa học nghiên cứu sâu hơn. . Q m II. Thành phần cấu tạo của nước è K II.1. Cấu tạo dạng đơn phân tử y ạ Nước là một hợp chất hóa học đặcD biệt, nó có công thức phân tử là H O (M =18) + / gồm hai nguyên tử hydro liên kết m một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy có độ âm điện lớn otử bật khỏi nguyên tử hydro nhỏ hơn. Kết quả là chúng c vì vậy nó có xu hướng kéo điện . e kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích lliên chiếm ưu thế trong mối g o tử hydro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy. o dương gần với nguyên G
chất hóa học bất thường. Một vài tính chất đặc trưng của nó là chất cần thiết cho sự sống,
2
Sáu điện tử linh động của oxy trong phân tử nước tạo thành bốn đám mây điện tử
sp3 hướng về bốn đỉnh của một tứ diện. Hai trong bốn đám mây điện tử đó xen lẫn với đám mây điện tử của hai nguyên tử tạo thành liên kết đồng hóa trị O-H với góc liên kết H-O-H là 104o5’, độ dài liên kết O-H là 0.96Ao, trong khi hai đám mây còn lại chứa hai điện tử không liên kết. Hydro có 3 đồng vị Proti (1H), Dơtri (2H) và Triti (3H). Trong thiên nhiên 1H chiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử; 2H chiếm từ 0.0139 ÷ 0.0151% tổng số nguyên tử; đồng vị 3H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 4
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Oxy cũng có 6 đồng vị: 14O, 15O, 16O, 17O, 18O, 19O nhưng chỉ có 3 đồng vị thiên nhiên là 16O (chiếm 99.759% tổng số nguyên tử), trong khi đó 17O (chiếm 0.037%) và 18O (chiếm 0.037%). Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99.8% tổng lượng nước tự nhiên. Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0.2% tổng lượng nước tự nhiên. Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên nhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau. Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn nhau
n ơ h
nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hidro, nhờ đó ở nhiệt độ
N y u
thường chúng ở trạng thái lỏng.
D + m/
o c . le
Q m è K ạy
Hình 1. Phân tử nước
g o Dạng liên hợp o được tạo thành do liên kết hydro giữa các phân tử nước, số lượng G các phân tử nước tham gia vào liên hợp nước rất khác nhau. Quá trình tạo liên hợp nước II.2. Cấu tạo dạng liên hợp của nước
gọi là quá trình hydrat hóa nước, ngược lại là quá trình phân ly liên hợp nước thành các đơn phân tử nước gọi là quá trình dehydrat hóa nước. Hai quá trình này luôn xảy ra đồng thời và tùy vào trạng thái của nước mà ta sẽ có quá trình hydrat hóa hay quá trình dehydrat chiếm ưu thế hơn. nH2O ↔ [H2O]n Như đã trình bày ở trên, do cấu tạo có 4 vị trí có thể cho hay nhận điện tử để tạo liên kết hydro mà một phân tử nước có thể gắn tối đa 4 phân tử còn lại tạo thành 4 đỉnh. Nếu số phân tử nước tăng lên nữa thì cấu trúc dạng liên hợp nước sẽ là một mạng không CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 5
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học gian ba chiều tạo thành từ các liên kết hydro. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các phân tử nước đơn lẻ: nH2O ⇔ (H2O)n có ∆H < 0. Giá trị n thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi n = 1; ở thể rắn n = 5;...). Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện. III. Trạng thái tồn tại của nước Cũng như các hợp chất hóa học khác, trong tự nhiên nước tồn tại ở cả ba trạng thái: rắn, lỏng, hơi. Nước ở trạng thái lỏng trong khoảng nhiệt độ từ 0oC đến 100oC. Ở trạng thái này hai quá trình hydrat hóa và dehydrat hóa nước cùng diễn ra đồng thời. Khi nhiệt độ hạ thấp dần, dao động nhiệt của các phân tử nước cũng giảm dần, tạo
n ơ thì chỉ có khoảng 50% tổng số phân tử nước tham gia dạng liên hợp nước. h N IV. Những tính chất cơ bản của nước y u IV.1. Tính chất vật lý Q m Những tính chất vật lý được lựa chọn được è cho trong bảng. Khi so sánh những K y ether với nước, ta thấy một hoặc hai dung môi hữu cơ khác như methanol và dimethyl ạ Dnhóm methyl theo thứ tự. Nước là một dung nguyên tử hydrogen đã được thay thế bằng + / tử ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ và áp suất phòng, môi nhỏ, chiếm khoảng 0,03 nm /phân m o c các phân tử nước liên kết với nhau rất mạnh vì tương tác mạnh liên phân tử mạnh (liên . lenguyên tử hydrogen và những nguyên tử oxygen). Điều này kết hydrogen giữa những g o o được phản ánh qua nhiệt độ sôi của nước cao tức là cần môt lượng nhiệt lớn để làm bay G hơi nước, và sức căng bề mặt của nước cao. Sự thay thế một hoặc hai nguyên tử
điều kiện cho quá trình hydrat hóa xảy ra, liên hợp nước càng lớn. Tại điểm đông đặc 0o
3
hydrogen đã làm lực tương tác liên phân tử giảm mạnh. Lực tương tác mạnh và bám dính với nhau giữa những phân tử nước đã cho kết quả: (1) Độ nhớt cao chất lỏng có dòng chảy là tương tác giữa những phân tử lân cận luôn luôn bị phá vở. (2) Khả năng tạo ra nhiệt cao – khả năng để trử một nguồn năng lượng lớn cho sự tăng động năng (nhiệt độ). Bảng 1.Tính chất vật lý của nước [1]
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 6
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Tính chất
Nước
Methanol
Dimethyl ether
Công thức
H2 O
CH3OH
(CH3)2O
Khối lượng phân tử (g/mol)
18
32
46
Khối lượng riêng (kg/L)
0.998
0.7914
0.713
Nhiệt độ sôi (OK)
373
338
248
Thể tích mol (nm3)
0.0299
0.0420
0.107
Khối lượng riêng lớn nhất ở (oK)
277
Không
Không
Nhiệt dung riêng (JK–1 g–1)
4.18
2.53
(JK–1mol–1)
75.2
81.0
Nhiệt hóa hơi (kJ g–1) (kJ mol–1)
41.4
Sức căng bề mặt (mN m–1) Độ nhớt (µPa s) Hằng số điện môi
N y u
Q 37.1 m è 22.6 72.8 K y ạ 1002 550 D + 78.6 33.6 / m 2.3
o c . le
Momen lưỡng cực (Cm × 1030)
6.01
n2.37 ơ h 109.0
1.16
5.68
0.40 18.4 16.4 233 5.0 4.34
g o o
Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở 0oC, sôi ở 100oC, rất cao so với
G
điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm. Nước thường và nước nặng có tính chất vật lý khác nhau: Bảng 2. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của nước thường và nước nặng Tính chất vật lý
Nước thường 1H216O (H2O)
Tỷ khối (d) ở 277oK
Nước nặng 2H216O (D2O)
1
1,1056
Nhiệt độ nóng chảy (oK)
273
276,8
Nhiệt độ sôi (oK)
373
374,42
Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm (bảng 2) CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 7
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Bảng 3. Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường Nhiệt độ sôi (oC)
0
10
20
30
40
50
100
Áp suất P (mmHg)
4.2
9.2
17.5
31.8
55.3
92.5
760
Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của dung dịch càng thấp. Độ hoà tan của các khí trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác. Nước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua (hấp
n ơ h
thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ
N y u
sâu trong nước.
Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3.98oC (≈ 4oC) không phải là điểm
Q m è nhiệt độ. K y trong bảng 4 Đối với nước tinh khiết sự thay đổi nàyạnhư D Bảng 4. Sự thay đổi tỷ trọng của nước+tinh khiết đối với nhiệt độ / m t( C) Tỷ trọng (kg/dm ) t( C) o c0.99987 . 0 20 e l g 1.00000 4 25 o o 10G 0.99973 30
đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng. Tỷ trọng của nước thay đổi theo
o
15
3
0.99913
o
100
Tỷ trọng (kg/dm3) 0.99828 0.99707 0.99567 0.95838
Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt. Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH3) và tạo điều kiện giữ nhiệt ở điểm kết tinh của nước. Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g.oC) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH3) nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 8
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá: 2H2O - 4e ⇔ 4H+ + O2
E0 = - 1,230V
2H2O + 2e ⇔ 2OH- + H2 E0 = - 0,828V Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men.Nước là trung tâm cuộc sống của vi khuẩn. IV.2. Sự hòa tan các chất trong nước Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm
n ơ cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó h tan tạo thành các hệ N phân tán như keo, huyền phù. y u IV.2.1. Sự hòa tan chất rắn trong nước Q m Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòaètan. Các chất hòa tan có thể ở dạng Kđều có thể hòa tan trong nước. y ion cũng có thể không ở dạng ion. Cả hai loại này ạ D Sự hòa tan bao chủ yếu gồm 2 quá +trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá). / Quá trình lý học thườngm thu nhiệt: ∆Ηa > 0. o cthường toả nhiệt: ∆Ηb < 0. Quá trình hiđrát hoá . e l hoà tan ∆Η (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một Nhiệt của quá trình g o o mol chất tan vào nước): G ∆Η = ∆Ηa + ∆Ηb (1-1) nhập hòa tan rất nhiều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch. Với phân tử nhỏ và phân
Nếu ∆Η > 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt. Nếu ∆Η < 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt. Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước: - Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt. Tiếp đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập. Trong đa số trường hợp đều thu nhiệt.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 9
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học - Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung môi để tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa. Quá trình hòa tan là toả nhiệt. Nhiệt hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên. Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ∆H (hiệu ứng nhiệt của phản ứng) có thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Thực tế, nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng 3KJ/mol. IV.2.2. Sự hòa tan chất khí trong nước Sự có mặt của chất khí hoà tan có vai trò rất lớn đối với các đặc tính hoá, sinh học
n ơ biến đổi pH và tính thế oxy hoá khử (Eh) của nước, gây ảnh hưởng h xấu đến chất lượng Ncủa nước, độ khoáng của nước. Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệtyđộ u hóa của nước và áp suất của chất khí đó. Q m Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: è giả sử đang xảy ra cân bằng giữa K y ra hoặc tan vào dung dịch với tốc độ chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ạ Dkhí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng, khí bằng nhau. Nếu ta tăng áp suất, số phân tử + / sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan trong m o c dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc này dung . le tan nhiều hơn. Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất khí và áp dịch sẽ chứa một lượng khí g o o suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry. G Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm. Chất khí là hợp của nước, đặc biệt là oxy và khí carbonic. Sự tồn tại của các chất khí trong nước đã làm
chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử hợp chất thường là phân tử phân cực. Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí giảm. Ví dụ độ hòa tan của O2 sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước 40g/L. IV.2.3. Sự hòa tan chất lỏng trong nước Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở lớp vỏ điện tử,..). Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định. Thông thường CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 10
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học các chất lỏng phân cực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất hữu cơ thường khó hòa tan trong nước. IV.3. Những tính chất đặc biệt của nước Tính chất đặc biệt của nước là nó có những tính chất khác biệt được tìm thấy so với những chất lỏng khác. Nước đông đặc (nước đá) cũng thể hiện khác thường khi so sánh với những chất rắn khác. Mặc dù bên ngoài có vẻ như phân tử nước khá đơn giản nhưng những tính chất của nó thì phức tạp và khác thường vì liên kết hydro nội phân tử của nó. Ở dạng hơi nó được biết là chất nhẹ nhất, nhưng ở dạng lỏng nó nặng hơn sự mong đợi, và ở dạng rắn thì nó nhẹ hơn khi so sánh nó với một chất lỏng cùng dạng với
n ơ Nước ở dạng lỏng thì phổ biến khắp nới trong cuộc sống hằnghngày của chúng ta, Nlà chất lỏng đặc trưng nó được quan tâm đến như chất lỏng “đặc trưng”. Và thật sự, nước y u nó có những thuộc tính của vật liệu đặc biêt từ ở nhiệt độ Q thấp đến ở nhiệt độ cao. Nhiệt msinh vật điều chỉnh nhiệt và ngăn dung riêng lớn, tính dẫn nhiệt cao góp phần cho những è K chặn sự thay đổi nhiệt độ thất thường, vì vậyy mà nước cho phép chúng ta có thể điều ạ D chỉnh được nhiệt độ của chúng ta một cách dễ dàng. + / Nhiệt hóa hơi cao làm chống lại sự khử nước (dehyrat hóa) và sự dễ dàng làm bay m o hơi để làm lạnh. Nước là một.c dung môi ưu việt vì tính phân cực của nó, hằng số điện môi le cao, và kích thước nhỏ,gđiều này đặc trưng cho những hợp chất phân cực và hợp chất ion o o và các muối. G nó.
Nước có những tính chất hydrat hóa đặc thù giống như các đại phân tử sinh học
(như proteins và acid nucleic) mà nó quyết định dạng cấu trúc ba chiều của nó, chức năng của nó trong dung dịch. Sự hydrat hóa này tạo ra những gel mà nó có thể chịu đựng ngược sự chuyển tiếp pha gel-sol mà chúng tồn tại trong nhiều cơ chế của tế bào. Nước ion hóa và có khả năng trao đổi proton giữa các phân tử, vì vậy nó gớp phần cho sự làm giàu tương tác ion trong sinh vật học. Trong số những tính chất đặc biệt của nước là tính chất trái ngược của nước nóng và nước lạnh, điều đáng chú ý hơn cả là ở nhiệt độ thấp nơi mà tính chất chậm đông của nước thường khác nhau của những dạng nước đá hình lục giác. Như sự chậm đông của CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 11
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học nước lạnh là khi gia nhiệt nó co lại, nó trở nên kém dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ của nó tăng lên, tốc độ âm thanh trong giới hạn của nó tăng lên, những chất khí trở nên hòa tan ít hơn và nó dễ dàng gia nhiệt và dẫn nhiệt tốt. Trái lại, nước lỏng nóng khi được gia nhiệt nó giản nở ra, nó trở nên dễ dàng để nén lại, chỉ số khúc xạ của nó giảm đi, tốc độ âm thanh trong giới hạn của nó giảm đi, những chất khí trở nên hòa tan nhiều hơn và nó khó để gia nhiệt và nó là một chất dẫn nhiệt kém. Khi tăng áp suất các phân tử nước lạnh di chuyển nhanh hơn, nhưng những phân tử nước nóng thì di chuyển chậm hơn. Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh. Tính chất khác thường của nước xuất hiện dưới nhiều cấp độ khác nhau với những
n ơ số liệu thí nghiệm. Ranh giới “thuộc cấu trúc” chỉ ra nơi mà nước thì mất trật tự khi bị h Nvới khối lượng riêng, nén lại, ranh giới “động học’ chỉ ra nơi mà nước tăng tính phảnyxạ u ranh giới “nhiệt động học” chỉ ra nơi mà ở đó có một nhiệt độ của khối lượng riêng cực Q m đại. è K y ạ D + / m o c . e l g o o G ranh giới khác nhau. Điều này thể hiện trái ngược với nguồn gốc của mô hình, không có
Hình 2. Giản đồ tính chất của nước
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 12
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV.3.1.Tính chất đặc biệt của pha nước Nước có nhiệt độ nóng chảy cao bất thường. Nước có nhiệt độ sôi cao bất thường. Nước có điểm tới hạn cao bất thường Trạng thái rắn của nước tồn tại một khoảng rộng khác nhau sự ổn định và trạng thái giả bền của những cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình hơn những vật liệu khác. Sự dẫn nhiệt, hệ số cứng, và vân tốc âm thanh th nước đá giảm khi tăng áp suất. Cấu trúc của nước thay đổi ở áp suất cao.
n ơ h
Sự chậm đông của nước có hai pha và một điểm tới hạn thứ hai tại khoảng -91 °C. Nước lỏng có thể đễ dàng bị quá nhiệt.
N y u
Nước nóng đông đặc nhanh hơn nước lạnh; Hiệu ứng Mpemba
Q m IV.3.2. Tính chất đặc biệt về khối lượng riêng củaè nước K y tăng nhiệt độ (từ 70 K trở lên). Khối lượng riêng của nước đá tăng lên khi ạ D Nước co lại khi nóng chảy. + /của nước đá. Áp suất làm hạ điểm nóng chảy m oriêng tăng khi tăng (từ 3.984oC). c Nước lỏng có khối lượng . le độ khối lượng riêng cực đại. Áp suất làm giảm nhiệt g o Nước có hệo số giản nở nhiệt thấp. G Nước ấm dao động lâu hơn nước lạnh.
o
Sự giản nở nhiệt của nước làm giảm sự tăng (trở nên âm) ở nhiệt độ thấp. Sự giản nở nhiệt của nước tăng lên khi tăng áp suất. Nước có hệ số nén thấp bất thường. Hệ số nén giảm xuốn khi nhiệt độ tăng từ 46.5 °C. Tốc độ âm thanh tăng lên khi tăng nhiệt độ lên từ 74 °C.
“Âm thanh nhanh” thì được tìm thấy ở tần số cao và thể hiện sự không liên tục tại áp suất cao. Thời gian phục hồi spin trong NMR thì rất nhỏ tại nhiệt độ thấp. Độ chuyển dịch NMR tăng lên đến cực đại tại nhiệt độ thấp (chậm đông). CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 13
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Chỉ số khúc xạ của nước có giá trị cao chỉ ở dưới 0 °C. Sự thay đổi thể tích khi thay đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí là rất lớn. IV.3.3. Tính chất đặc biệt của vật liệu nước Dung dịch nước thì không lý tưởng. D2O và T2O khác nhau rất lớn với H2O về tính chất vật lý của chúng. Dạng H2O và D2O khác nhau rất lớn về tính chất pha. Nước đá của H2O và D2O khác nhau rất lớn về tính chất lượng tử. Năng lượng động học của nguyên tử hydro trong nước tăng lên tại nhiệt độ thấp. Những chất tan ảnh hưởng khác nhau đến tính chất như khối lượng riêng và độ
n ơ Sự hòa tan của những chất khí không phân cực trong nước giảm dần với nhiệt độ h N đến cực tiểu và sau đó tăng lên. y u Hằng số điện môi của nước cao. Q m Hằng số điện môi liên hệ với một nhiệt độ cựcèđại. K Khả năng di động của proton và ion OH thì nhanh khác thường trong vùng điện y ạ D trường. + một giá trị cực đại tại khoảng 230 °C. / Độ dẫn điện của nước tăng lên đến m o c thể hiện một nhiệt độ tối thiểu. Hằng số acid của acid.yếu e Sự nhiễu xạ tia –gXl thể hiện cấu trúc chi tiết bất thường. o o Dưới áp suất cao các phân tử nước càng di chuyển xa hơn nữa. G nhớt.
IV.3.4. Tính chất bất thường về nhiệt động học của nước.
Nhiệt khuếch tán của nước với nhiệt độ thể hiện cực đại tại -17 °C. Nước có nhiệt dung riêng cao gấp hai lần nước đá hay hơi nước. Nhiệt dung riêng (CP và CV) thì cao bất thường. Nhiệt dung riêng CP đạt cực tiểu tại 36 °C. Nhiệt dung riêng CP đạt cực đại tại -45 °C. Nhiệt dung riêng (CV) có giá trị cực đại. Nhiệt bay hơi cao. Nhiệt thăng hoa cao. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 14
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Entropy bay hơi cao. Tính dẫn nhiệt của nước thì cao và tăng lên đến giá trị cực đại tại 130 °C. IV.3.5. Tính chất vật lý khác thường của nước Nước có độ nhớt cao bất thường. Sự tăng độ nhớt lớn khi nhiệt độ thấp xuống. Độ nhớt của nước giảm với áp suất dưới 33 °C. Sự khuếch tán ánh sáng giảm khi nhiệt độ thấp. Tại nhiệt độ thấp, Sự tự khuếch tán ánh sáng của nước tăng lên khi khối lượng riêng và áp suất tăng.
n ơ h
Sự khuếch tán nhiệt tăng lên đến giá trị cực đại khoảng 0.8 GPa. Nước có sức căng bề mặt cao bất thường.
D + m/
N y u
Q m è K ạy
o c . le
G
g o o
Hình 3. Những tính chất khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 15
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học CHƯƠNG 2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA NƯỚC I. Giản đồ pha của nước Giản đồ pha của nước thì phức tạp, có một số điểm ba, có một hoặc hai điểm tới hạn. Nhiều dạng tinh thể còn chưa ổn định nhiều ở pha nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Một mô hình nhiệt động của nước và nước đá Ih, III, V và VI và hàm nhiệt động chuyển pha được miêu tả. Nước đá có thể bị phân tách ra bởi sự phân tích nhóm về cấu trúc của chúng. Như nước đá ở áp suất thấp (nước đá lục phương (Ih), nước đá lập phương (Ic) , nước đá mười một (XI). Nước đá ở áp suất cao (nước đá VII, nước đá VIII, nước đá X) và những dạng khác được tìm thấy ở khoảng áp vừa phải trong khoảng tương đối hẹp
n ơ lỏng của nước (nước đá Ih, III, V, VI, và VII) có liên kết hydro mất trật tự. Những pha có h liên kết hydro trật tự thì được tìm thấy tại nhiệt độ thấp và được y thểN hiện ra dưới ánh sáng u yếu. Q m Điểm tới hạn và đường màu cam trong khoảng è không gian pha nước đá – I liên K y tạo thành nước đá vô định hình. Sự quan đến tỷ trọng thấp (LDA) và tỷ trọng cao (HDA) ạ D và lực hút Van der Waals tiếp xúc trong chuyển đổi giữa LDA và HDA là vì tăng entropy + / của liên kết hydrogen. HDA làm bù lại cho việc giảm độ mạnh m o c Đường pha áp suất cao giữ pha nước đá –X và pha nước đá –XI thì vẫn là chủ đề . lvàeđường ranh giới giữa nước siêu tới hạn và nước đá – VII thì để xác minh thí nghiệm, g olập. Nước đá – VII sở hữu hình dạng ở áp suất thấp và cao hơn. o được chắc chắn thiết G Cả những điểm tới hạn thì được thể hiện như đường viền đỏ trong giản đồ pha ở khoảng giữa 200-2000 MPa. Tất cả các pha phân chia pha tại đường ranh giới với dạng
trên. Ngoài điểm tới hạn trong không gian lỏng – hơi (hướng đến đỉnh phải phía trên), nước ở trạng thái siêu tới hạn thì nhỏ nhưng nhóm liên kêt hydro giống chất lỏng phân tán trong pha giống khí, nơi mà tính chất vật lý giống khí hay giống lỏng biến đổi trong sự đáp ứng thay đổi tỷ trọng và sự khác biệt thông thường giữa khí và lỏng đã biến mất. Điểm tới hạn isochor (khối lượng riêng 322kg/m3) được thể hiện trong đường đứt khúc, đường này như chia ra những tính chất giống lỏng hơn và giống khí hơn. Tính chất của nước siêu tới hạn thì rất khác nhau từ nước bình thường. Ví dụ, nước siêu tới hạn là dung môi nghèo chất điện ly, nó có khuynh hướng hình thành những cặp ion. Tuy nhiên CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 16
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học nước siêu tới hạn là dung môi tuyệt vời cho những phân tử không phân cực vì nó có hằng số điện môi thấp và nghèo liên kết hydrogen. Độ nhớt và cả điện môi giảm đáng kể trong khi sự ion hóa tự động lại tăng lên đáng kể. Tính chất vật lý của nước gần điểm tới hạn (tới hạn gần) thì ảnh hưởng rất mạnh một cách khác thường, sự biến động khối lượng riêng rất lớn xung quanh điểm tới hạn là nguyên nhân gây ra tính đục. Nhiều tính chất của nước lạnh thay đổi trên 200 MPa (ví dụ như: độ nhớt, tự phản xạ, tính nén, phổ Raman, tách phân tử) điều này có thể giải được giải thích được bởi sự có mặt của pha lỏng có tỷ trọng cao có chứa liên kết hydro thâm nhập vào nhau.
n ơ thay đổi về sự ion hóa, khả năng hòa tan, sự khuếch tan, và khả năng h phản ứng vì liên kết N hydro giảm dần. y u Q m è K y ạ D + / m o c . le g o o G Tính chất hóa học của nước thay đổi rất lớn tại nhiệt độ cao và áp suất cao vì sự
Hình 4. Giản đồ pha của nước
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 17
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n ơ h
N y u
Hình 5. Giản đồ pha P-T của nước
Q m II.1. Sự thay đổi về khối lượng riêng của nước è K hơn. Chúng đạt đến điều này bởi y Khi áp suất tăng, pha nước đá trở nên nặng ạ D những điểm uốn của liên kết ban đầu + hình thành những vòng khít chặt hay mạng lưới / xoắn ốc, và cuối cùng những mạng mlưới thâm nhập và đan xen vào nhau càng tăng số o lượng. Đây là bằng chứng cụ.c thể khi so sánh nước đá –V với những nước đá giả bền hay e l chưa ổn định (nước đá g –IV, và nước đá –XII) tồn tại trong giản đồ pha. o Go II. Tính chất của giản đồ pha
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 18
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Hai biểu đồ dưới đây chỉ ra sự thay đổi khác nhau về tỷ trọng của chất lỏng, nước ở dạng hơi và trạng thái siêu tới hạn với nhiệt độ và áp suất khác nhau. Tỷ trong của nước lỏng tăng lên với sự tăng áp suất và giảm với sự tăng nhiệt độ.
n ơ h
N y Hình 6. Tỷ trọng của nước phụ thuộc vào nhiệt u độ và áp suất Q m è K y ạ D + / m o c . le g o o G
Hinh7. Tỷ trọng của những pha nước khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Ta nhìn đối diện với khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn (đó là nước đá) nước dọc theo đường pha lỏng-rắn. Chú ý nhiệt độ thì khác nhau dọc theo đường pha này (chỉ đường đứt nét). Nước đá lục giá Ih ít nặng hơn nước lỏng trong khi đó những dạng nước đá còn lại nằm trong đương cân bằng với nước thì đều nặng hơn nước, với sự thay đổi pha xảy ra trong khi đạt đến khối lượng riêng của chất lỏng và chất rắn.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 19
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học II.2. Điểm ba Điểm ba là nơi có ba đường pha gặp nhau và ba pha cùng tồn tại tại điểm cân bằng.
n ơ h
www.daykemquynhon.ucoz.com
N y u
D + m/
Q m è K ạy
Hình 8. Giản đồ pha nước o c .số nhiệt động của những điểm ba của nước Bảng 5. Thông e l g o ∆S, o ∆H, kJ ∆V Điểm baG MPa °C J mol mol cm mol -
-1
3
1
-1
K-1
0.000611657 0.010 Khí Lỏng
Ih
khí khí Lỏng
Khí
661 Pa, 3.82 °C
lỏng
-44.9
-165
-22050
Ih
-50.9
-186
-22048
-5.98
-22
1.634
Ih
D2 O
Ih
XI
0
-201.0
0 MPa, -197°C
Lỏng Ih
III
209.9
-
220 MPa, -
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 20
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học 18.8°C
21.985 Lỏng
Ih
-4.23
-16.9
2.434
Lỏng
III
-3.83
-15.3
-0.839
0.39
1.6
-3.273
Ih
III
212.9 Ih
II
III
II
III
VI
Lỏng III
V
XV
II
-0.75
-3.2
-3.919
Ih
III
0.17
0.7
-3.532
II
III
0.92
3.8
0.387
GV
III
II
V
III
V
II
V
Lỏng V
D + m/
21.5°C
~0.8 GPa, 143°C
-
348 MPa, -
16.986
14.5°C
Lỏng
III
-4.61
-18.0
-0.434
Lỏng
V
-4.69
-18.3
-1.419
-0.07
-0.2
-0.985
V
XII
~500-600
~-6
VI
~620
~-55
632.4
0.16
VI
5.1
n 347 MPa, ơ h
N y u
0.261 Q 1.20 èm 4.8 -0.721 K -0.2 -0.982 -0.07 y ạ 1.27
.co
III Lỏng IV
-24.3
II
e gl350.1
oo
31.0°C
Ih
344.3 II
225 MPa, -
-34.7
629 MPa, 2.4°C
Lỏng
V
-5.27
-19.3
-0.949
Lỏng
VI
-5.29
-19.4
-1.649
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 21
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học V VI VIII
VI
-0.02
VII
~1.5 GPa, 143°C
VIII
~5
VII
VII
-0.09
-o.3
-1.0
VI
VIII
-1.20
-4.2
-1.0
VII
VIII
-1.10
-3.9
0.0
X
Lỏng VII
X
Lỏng VII Superionic
81.85
2060 MPa, 78°C
Lỏng
VI
-6.36
-18.0
-0.59
Lỏng
VII
-6.36
-18.0
-1.64
0.0
0.0
VI VII VIII
1950 MPa, ~0°C
VI
2,216 Lỏng VI
-0.700
XV 2,100
VI
-0.5
VII
62,000
-173
43,000
>700
47,000
~727
D + m/
~40,000
~1000
n ơ h
Q m è K ạy
N y u -1.05
o c . le
II.3. Những pha nước đá
Nước có nhiều pha rắn (nước đá). Có mười sáu loại hoặc pha tinh thể (nơi mà có
g o o
những nguyên tử oxy có vị trí cố định cân xứng với những nguyên tử khác nhưng những
G
nguyên tử hydro thì xắp xếp không có trật tự những tuân theo “quy tắc nước đá”) và có ba dạng pha vô định hình (không tinh thể). Tất cả những pha kết tinh của nước đá là có những phân tử nước liên kết hydro với bốn phân tử nước lân cận. Trong các trường hợp này hai nguyên tử hydro là liên kết cộng hóa trị với những phân tử nước để duy trì tính đối xứng và chúng tuân theo “quy tắc nước đá”. Về phần thứ tự của những proton (ở vị trí cố định có entropy thấp hơn) xảy ra ở những nhiệt độ thấp hơn, trong khi đó áp suất làm giảm khoảng cách giữa những ô thứ hai lân cận (thể tích thấp hơn và lực Van der Waals lớn hơn).
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 22
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Góc liên kết H-O-H trong pha nước đá thì nhỏ hơn góc tứ diện (109.47°), và nó khoảng 107°. Bảng 6. Những pha nước đá và những đặc điểm của nó [2] Pha
Đặc điểm
Nước đá vô định Nước đá vô định hình là nước đá không có cấu trúc tinh thể. Loại nước đá này có ba dạng: Tỷ trọng thấp hay khối lượng riêng thấp
hình
(LDA) được tạo ra ở áp suất khí quyển hay thấp hơn, tỷ trọng cao (HDA) và nước đá vô định hình tỷ trọng rất cao (VHDA) hình thành ở áp suất cao hơn. LDA hình thành bởi sự làm lạnh nước cực
n ơ nước trên một nền rất lạnh (“nước rắn vô địnhh hình”, ASW) hoặc N bởi sự gia nhiệt của nước đá tỷ trọng cao ở y áp suất thường. u Nước đá kết tinh dạng lục phương thường. Q Hầu hết tất cả nước đá m trên sinh quyển của trái đất là nước è đá Ih với một lượng nhỏ Ic. K yloại kết tinh lập phương không ổn định. Nước đá khác nhau của ạ Dđược xắp xếp như trong cấu trúc kim cương, Những nguyên tử + oxy / K, và bền ổn định từ 200 K trở lên, khi nó ở nhiệt độ 130-150 m o nước đá Ih thỉnh thoảng nó tồn tại ở tầng cao hơn khí c chuyển.thành le g quyển. oo kỳ nhanh ("hyperquenched glassy water", HGW) bằng cách phủ hơi
Nước đá Ih Nước đá Ic
o
Nước đá - II
G
o
Một dạng tinh thể hình thoi với cấu trúc trật tự cao được hình thành
từ nước đá Ih bằng cách nén nó ở nhiệt độ190-210 oK. Khi chịu gia nhiệt nó chuyển thành dạng nước đá - III
Nước đá - III
Một dạng tinh thể hình tứ diện, được hình thành bởi sự làm lạnh nước đá xuống 250 oK và 300 MPa, pha nặng ít nhất của áp suất cao và nặng hơn nước.
Nước đá - IV
Pha dạng hình thoi không ổn định. Không dễ dàng hình thành nếu thiếu tác nhân tạo mầm.
Nước đá - V
Một dạng pha tinh thể có ba trục không đồng đều, được hình thành
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 23
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học từ sự làm lạnh nước ở 253 oK và 500 MPa. Hầu hết tất cả cấu trúc đều phức tạp. Một dạng pha tinh thể tứ diện, được tạo ra bằng cách làm lạnh nước
Nước đá - VI
đến 270 oK ở 1.1 GPa. Nước đá - VII
Một pha lập phương. Vị trí của nguyên tử hydro không trật tự. Những liên kết hydrogen từ hai mạng lưới đan xen nhau.
Nước đá - VIII
Một kiểu trật tự hơn nước đá VII, đó có liên kết hydro nắm lấy những vị trí cố định, được hình thành từ nước đá – VII bằng cách làm lạnh nó trên 5oC.
n ơ nước đá – III một cách từ từ từ 208 K đến 165 h K, bền dưới 140 K N y 1.16 g/cm³, nhẹ hơn và áp suất giữa 200 – 400 MPa. Nó có tỷ trọng u Q nước đá thông thường. m Nước đá đối xứng trật tự protonèhình thành khoảng 70 GPa. yKđộ thấp của nước đá lục giác, nó chứa Một dạng dao cân bằngạ nhiệt D hợp chất sắt. + / m Một pha tinh thể nặng của tứ diện không ổn định. Nó được quan sát o c . trongekhông gian pha nước đá V và nước đá – VI. Nó có thể tạo ra l cách gia nhiệt nước đá vô định hình có tỷ trọng cao từ 77 K g bằng oo Một dạng pha tứ diện không ổn định, được hình thành từ làm lạnh
Nước đá - IX
o
Nước đá - X Nước đá - XI Nước đá - XII
o
o
o
G
Nước đá - XIII
đến 183oK ở 810MPa.
Một pha tinh thể dạng ba trục không đồng đều, được tạo ra từ làm lạnh nước dưới 130oK ở 500 MPa. Trật tự proton từ nước đá – V.
Nước đá - XIV
Một pha tinh thể trực giao, được hình thành dưới 118oK ở 1.2 GPa. Trật tự proton từ nước đá – XII.
Nước đá - XV
Được dự đoán nhưng không chứng cứ chứng minh dạng trật tự proton từ nước đá – VI, được tạo ra bằng làm lạnh nước đến xung quanh 108-80 oK ở 1.1 Gpa.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 24
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Bảng 7. Thông số cấu trúc của dạng nước đá đa hình Dạng hình
đa Khối lượng của riêng, g cm-3 a
nước đá Nước đá lục phương, Ih Nước đá lập phương, Ic LDA, Ia b
HDA c
VHDA d
Protonsf Tinh thểh
0.92 0.926 0.93q 0.933
Không trật tự Không trật tự
0.925
Không
q
trật tự
1.17
1.25
Không trật tự Không trật tự
III, nước - III
IV, nước đá - IV V, nước đá V VI, nước đá -VI
1.27 1.275
1.23 1.233
1.31 1.314
đối
điện
xứng
môi, εSi
Ghi chú
Một C6 97.5 Bốn C3
Không kết tinh
m è K y ạ
Không kết tinh
D + m/
nhỗn ơ h
yN
u Q
hợp nhiều
loại. Được tạo ra bởi hỗn hợp nhiều loại.
Không kết tinh
hình
2
trật tự
thoi
Không
Ba trục không
trật tự
đồng đều Tứ diện
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Một C3 3.66 P4121
Giống
trật tự
mc
Hằng số
Được tạo ra bởi
Không
Không
P63/m
Lập phương
oGiống c . tự 1.17 1.195 Trật e l thoi g o Không đá o 1.14 G 1.160 Tứ diện trật tự
II, nước đá II
Lục phương
Tính
Một C4 117
Những
proton
trật tự một phần Chưa ổn định
hình
Một C3
trong không gian pha nước đá -V
C2/c Một C2 144 P42/n mc
Một C4 193
Những
proton
trật tự một phần Hai cơ cấu thâm nhập
đan
xen
Trang 25
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học nhau VII, nước đá - VII
VIII, nước đá - VIII
1.50 1.591
Không trật tự
1.46 1.885 Trật tự
Hai cơ cấu nước Lập phương
Bốn C3 150
đá Ic thâm nhập đan xen nhau
Tứ diện
I41/a md
Nhiệt độ thấp hình thành nước
Một C4 4
đá - VII Nhiệt độ thấp
IX, nước đá - IX
1.16 1.160 Trật tự
Tứ diện
P4121 2
hình thành nước
nđá - III, giả bền ơ h trong không gian
Một C4 3.74
N y u
Q m X, nước đá è Bốn C 2.51 2.785 Đối xứng Lập phương K y X ạ D + / XI, nước đá Cmc2 m 0.92 0.930 Trật tự oTrực giao ba C c - XI . le g o XI, nước đá Biến o >2.51G Đối xứng Trực giao PBcm - XI dạng
Proton đối xứng 3
2
1
Tính
kim
loại XII, nước đá - XII XIII, nước đá - XIII
~12o
1.29 1.301
Đối xứng, Ba trục không O-H-O Không trật tự
1.23 1.247 Trật tự
đồng đều
nước đá - II
C2⁄m
tạo thành nước đá - VII Nhiệt độ thấp tạo thành nước đá - Ih Siêu ion hóa
Siêu ion hóa Giả bền trong
Tứ diện
Một C4
không gian pha nước đá V
Ba trục không đồng đều
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
P21/a Một C2
Dạng trật tự của pha nước đá - V
Trang 26
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
XIV, nước
1.29 1.294
đá - XIV XV, nước đá - XV
Phần lớn trật tự
1.30 1.328 Trật tự
P2121
Trực giao
Pseudogiao.
21 Trực
Dạng trật tự của Một C4
pha nước đá VII
Một C4
Dạng trật tự của pha nước đá - VI
Hai dạng khác nhau của nước đá –XI được miêu tả bởi những nhóm nghiên cứu khác nhau: (a) dạng áp suất cao (được biết đến nước đá – XIII) liên quan đến những nguyên tử hydro khoảng cách bằng nhau giữa những nguyên tử oxy (giống nước đá – X)
n ơ áp suất thấp sử dụng để hợp nhất của hydroxide chất kích thích thể h thao (trong khe ion N K ) để làm trật tự liên kết hydrogen của nước đá Ih, mặt khác u nóy xảy ra rất chậm. Nước đá –X được miêu tả, là ở dạng proton trật tự Q của nước đá –VI; điều này bây m è giờ được biết đến như dạng nước đá –XV. K y Chỉ dạng nước đá lục phương –I (Ih), nước đáạ– III,nước đá – V, nước đá – VI, nước đá – D bằng với nước lỏng (nước đá – X với nước VII, và có lẽ, nước đá – X có thể được cân + / m siêu tới hạn), trong khi đó tất cảo các dạng nước đá khác, bao gồm nước đá – II (II không cbất kỳ nhiệt độ và áp suất. . ổn định trong sự hiện diệne của l g Nước đá nhiệtođộ thấp, nước đá – II, nước đá –VIII, nước đá – IX, nước đá –XI o (dạng áp suất G thấp), nước đá - XIII, nước đá - XIV, và nước đá - XV tất cả sở hữu trong cấu trúc đóng lại của biến dạng hình lục giác; trong khi đó (b) dạng nhiệt độ thấp, +
(nước đá – IX và nước đá - XIV không hoàn toàn) liên kết hydro trật tự entropy thấp
ngược lại những nước đá khác (ngoại trừ nước đá –X và nước đá –XI nơi có liên kêt hydro đặt đối xứng và những phân tử nước không tồn tại riêng lẽ) liên kết hydro không có trật tự thậm chí đạt xuống 0 oK. Cả nước đá – IV và nước đá – XII đều không ổn định trong không gian pha nước đá –V. Nước đá dạng lập phương (Ic) thì không ổn định với nước đá lục phương (Ih). Nó thì được nhấn mạnh rằng nước lỏng thì ổn định suốt không gian pha của nó. Tuy nhiên, nước đá – VII dưới tia X với 9.7KeV bị phân tách thành hỗn hợp O2-H2 tại áp suất cao CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 27
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học (>2.5 GPa) nhưng chuyển về trạng thái nước đá – VII gần với điểm nóng chảy tại 700 oK and 15 GP. Một pha nước đá mới được báo cáo dựa trên những suy nghĩ về khía cạnh chất lỏng siêu tới hạn của nước đá – VII ở áp suât cao với điểm ba xấp xỉ 700 K, 20 GPa với nước lỏng siêu tới hạn, và nước đá – VII và khoảng 1500 K, 40 GPa với lỏng siêu tới hạn và nước đá – X. Tuy nhiên trạng thái nước trong phần giản đồ pha thì chưa được rỏ ràng. Một pha mới siêu ion với điểm ba xấp xỉ khoảng 1000 K, 40 GPa với nước lỏng (siêu tới hạn và ion hóa) và nước đá –VII tại nhiệt độ cao (~1500 oK), một pha ion hóa một phần bao gồm những lớp của OH- và H3O+ luân phiên nhau ở nhiệt độ thấp hay
n ơ h
nhiều pha chuyển thành một ở đó số phối trí của oxy tăng lên từ 4 đến 5 với sự gia tăng khối lượng riêng đáng kể. III. Giản đồ pha nước ở áp suất thấp III.1. Nước đá dạng lục phương (Ih) III.1.1. Một vài tính chất vật lý
N y u
Q m è K ạy
D + / đất, sáu nhóm đối xứng trong tinh thể nước đá được phát triển từ hơi nước (đó là hồ m o c tuyết). . le g o o G
Nước đá dạng lục phương (Ih) là tất cả các dạng tuyết tự nhiên và nước đá trên trái
Hình 9. Nước đá Ih Nước đá lục phương (Nhóm không gian P63/mmc, 194; đối xứng D6h, Laue đã phân loại đối xứng 6/mmm; tương tự như β-tridymite silica or lonsdaleite) sở hữu cấu trúc mở tỷ trọng thấp, nơi có hiệu quả đóng kín thấp (~1/3) khi so sánh với cấu trúc lập CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 28
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học phương đơn giản (~1/2) hoặc cấu trúc lập phương tâm mặt (~3/4) (và tương phản với cấu trúc lập phương tâm mặt khép kín của chất rắn hydrogen sulfide). Tinh thể bao gồm các lớp nằm trên đỉnh lẫn nhau. Cấu trúc đơn giản bao gồm một hộp sáu cạnh nơi có những mặt phẳng bao gồm sáu cạnh dạng ghế, đối nhau) hoặc xáu cạnh dạng thuyền (ba mặt phẳng đứng, đối nhau). Trong hình này liên kết hydrogen được thể hiện ra có trật tự trong khi thực tế thì nó nằm ngẩu nhiên như những proton có thể di chuyển giữa những phân tử nước đá khoảng ở trên 130 oK. Những phân tử nước đá có liên kết hydro đặt so le so với nguyên tử bên cạnh của nó, trong mặt phẳng dạng ghế sáu cạnh. Phân tử lân cận thứ tư (thể hiện như những liên
n ơ h
kết dọc đối nhau) có liên kêt hydro được xắp xếp elip (che khuất).
www.daykemquynhon.ucoz.com
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
G
g o o
Hình 10. Sai lệch của nước đá lục phương Có một sự sai lệch nhỏ từ đối xứng lập phương lý tưởng như ô cơ sở thì ngắn hơn 0.3% theo hướng – c (trong hướng của liên kết hydro elip, thể hiện những liên kết dọc trong hình). Có không gian đủ phía trong mỗi hộp để giữ một phân tử nước ở trong khe hở. Mặc dù điều này nhìn chung có thể không xảy ra nhưng những phân tử nước ở trong khe
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 29
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học thì gần đây được phát hiện ra bằng sự nhiễu xạ neutron của bột nước đá một cách hiệu quả. Nước đá lục phương có những điểm ba: nước lỏng và hơi nước (0.01 °C, 612 Pa); nước lỏng và nước đá –III (-21.985 °C, 209.9 MPa); nước đá -II và nước đá –III (-34.7 °C, 212.9 MPa). Hằng số điện môi của nước đá lục phương là 97.5.
n ơ h
www.daykemquynhon.ucoz.com
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
G
g o o
Hình 11.Các dạng cấu trúc nước đá lục phương Tinh thể nước đá lục phương được hình thành từ những lớp lục phương và những hình trụ lục phương có mặt đỉnh và mặt đáy là những mặt phẳng cơ sở {0 0 0 1}, và sáu mặt bên tương đương gọi là những mặt lăng trụ {1 0 -1 0} có thể được hình thành xuống những mặt phẳng tạo bởi những cạnh bên của những cấu trúc dạng ghế. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 30
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước đá lục phương thể hiện sự giảm bất thường độ dẫn nhiệt khi tăng áp suất (điều này cũng giống như nước đá lập phương và nước đá vô định hình tỷ trọng thấp) nhưng khác từ hầu hết các tinh thể. Điều này vì sự thay đổi liên kết hydro làm giảm vận tốc âm theo chiều ngang. Liên kết hydro trên bề mặt của nước đá lục phương được dự đoán là trật tự hơn trong lòng cấu trúc khối. Đường nóng chảy (MPa).
n ơ h
N y u
Tương tác cấu trúc nước đá lục phương là có thể xảy ra.
Q m Số phân tử nước tối thiêu cần thiết cho hình thành è mầm nước đá là khoảng (ví dụ K 275±25) như nhau đối với yêu cầu tạo khối hai y mươi mặt bó chặt lại (ví dụ 280). Sự hình ạ thành mầm nước đá xảy ra tăng cường rấtD + lớn bởi một nhân tố của 10 , ở bề mặt không / khí-nước tốt hơn trong khối nước. m Những tinh thể lục phương được tạo thành bởi sự phát o triển chậm theo hướng trọc .–cc(nước đá S1) như những ống đông đặc theo chiều dọc ở le bên trong hoặc nơi màg những tinh thể nước đá phát triển dọc xuống từ những nhân tinh o với dọc trục –c, và nơi mà hướng một bên phát triển bị ngăn chặn o thể dạng lá trong nước G trong khi sự phát triển trục vẫn cho phép. Chúng luân phiên phát triển nhanh chóng từ III.1.2. Mầm nước đá và sự phát triển mầm
10
những mặt hình trụ (nước đá S2),như sự đóng băng nhanh chóng của bề mặt ngẩu nhiên thất thường hay những hồ bị kích động. Sự phát triển những mặt {1 1 -2 0} là ít nhất nhanh bằng với những mặt lăng trụ nhưng nhiều sự phát triển đã chuyển sang những mặt này vào trong những mặt lăng trụ. Mối liên hệ giữa tốc độ phát triển tinh thể này trên những mặt hình học khác nhau phụ thuộc vào khả năng của những bề mặt này để hình thành những liên kết hydrat hóa mở rộng hơn. Nhiệt độ chậm đông xung quanh nước đã xác định mức độ tạo nhánh của tinh thể nước đá. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 31
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Sự phát triển tinh thể bị hạn chế bởi tốc độ khuếch tán ở mức độ thấp của chậm đông (ví dụ < 2°C, khi cho tăng lên làm tăng tạo nhánh) nhứng giới hạn cao hơn mức độ chậm đông ((i.e. > 4 °C, khi tăng lên làm tăng sự phát triển tinh thể hình kim). Cấu trúc tinh thể lập phương, những tính chất phát triển khác nhau của những mặt tinh thể khác nhau và nhiệt độ xung quanh nước chậm đông thì ở phía dưới những hình dạng phẳng sáu điểm của hoa tuyết). Những chất tan không thể hợp nhất vào trong cấu trúc pha nước đá Ih tại áp suất phòng nhưng nó được đẩy lên bề mặt hoặc những lớp nước đá vô định hình giữa những tinh thể nước đá micro. Một vài chất tan (ví dụ những ion như NH4+ và Cl-) thì không hợp
n ơ giữa những tinh thể. Đây là kết quả của nạp điện của bề mặt vì sự ion hóa nước bề mặt h Ntừ) và sự thay đổi pH cân bằng với điện tích còn lại (nó cũng có thể gây tăng bức xạ điện y u của những film chất lỏng còn dư (NH ) SO trở nên có Q tính acid hơn và NaCl trở nên m tính kiềm hơn. è K y ạ D + / m o c . e l g o o G nhất dễ dàng nhiều) vì vậy loại bỏ chúng từ những màng film mỏng còn lại của chất lỏng
4 2
4
Hình 12. Những hướng phát triển tinh thể của Ih Nhìn vuông góc đến những mặt của tinh thể nước đá Ih thể hiện những lớp kế tiếp gắn chặt nhau (với nguyên tử oxy màu đen). Hình (a) Sự phát triển mặt hình học cơ sở {0 0 0 1} (nhìn dưới trục – c); nơi chỉ những phân tử nước riêng biệt tham gia. Hình (b) sự phát triển mặt lăng trụ {1 0 -1 0} nhanh hơn (nhìn dưới trục –a), nơi mà những phân tử nước vừa mới cặp đôi có liên kết hydrogen với nhau, một liên kết hydro/2 phân tử nước. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 32
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Hình (c) sự phát triển mặt lăng trụ thứ hai {1 1 -2 0} nhanh nhất, nơi có những chuổi phân tử nước kết chặt tạo liên kết hydro với nhau, một liên kết hydro/một phân tử nướcNhững điều này tạo thành những chop mà phân ra và khuyến khích chuyển hóa thành hai mặt lăng trụ.
n ơ h
N y u
Q m è thuộc nhiệt độ và độ ẩm Hình 13. Hình dạng những tinh thể tuyết tạo thành phụ K y XIc) III.2. Nước đá dạng lập phương (Ic và nước đá ạ Dđá không ổn định, nó được hình thành bằng Nước đá lập phương là dạng nước + / m cách ngưng tụ nước bay hơi tại áp suất phòng nhưng nhiệt độ thấp (~đường kính 6 µm) o c . hoặc làm giảm áp suất ở nươc đá áp suất cao tại 77 K. Nó thường được tìm thấy những e l ggiữa nước đá lục phương và lập phương phụ thuộc vào sự hình trạng thái chuyển tiếp o o thành và nguồnG gốc của nước đá lập phương. o
Hình 14. Nước đá lập phương Nước đá lập phương có áp suất hơi cao hơn không đáng kể so với nước đá lục phương Ih và có thể hình thành tự nhiên ở cao hơn tầng khí quyển.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 33
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Có bằng chứng là nó là pha thích hợp cho nước đá tạo thành những giọt nước lỏng có bán kính nhỏ hơn 15 nm tại 160-220 oK , vì năng lượng tự do giữa hai bề mặt thấp hơn nước đá lục phương. Tinh thể lục phương bao gồm những mạng lưới lập phương tâm mặt (Nhóm không gian
, 227; Laue phân loại đối xứng m-3m; tương tự với β-cristobalite silica) với
một nữa lổ khối tứ diện được làm đầy). Những phân tử sao chỉ ra những vị trí ô cơ sở.
n ơ h
N y u
Như với nước đá Ih, nó sở hữu một cấu trúc mở tỷ trọng thấp nơi hiệu quả đóng
Q m è K ạy
kín thấp (~1/3) so sánh với lập phương đơn giản (~1/2) hoặc cấu trúc thật (~3/4) lập phương tâm mặt.
D + m/
o c . le
G
g o o
Tương phản với nước đá Ih, tuy nhiên những phân tử nước có liên kết hydro xắp xếp so le đối với tất cả các phân tử lân cận, hơn ¾ của chúng. Kết quả điều này làm tỷ trọng giống như nước đá lập phương. Tất cả những nguyên tử có bốn tứ diện được xắp xếp các phân tử xung quanh gần nhất và mười hai phân tử xung quanh thứ hai, như nước đá Ih. Những tinh thể như là những dãy của dạng ghế sáu cạnh trong bất kỳ một của những mặt phẳng xắp xếp tứ diện. Chú ý rằng cả những hình cấu trúc này liên kết hydro thì trật tự trong khi đó thực tế thì CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 34
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học ngẩu nhiên (tuân theo “quy tắc nước đá”: hai nguyên tử hydro gần mỗi nguyên tử oxy, mỗi nguyên tử hydro trên mỗi liên kết O…..O). Góc liên kết H-O-H không khác nhau nhiều từ những phân tử riêng lẽ, liên kết hydro thì không thẳng. Tinh thể lập phương ô cơ sở có kích thước 6.358 Å (a, b, c; 90º, 90º, 90º, 8 phân tử). Những mạng nước đá Ic thâm nhập vào nhau xảy ra ở nước đá – VII ở áp suất cao và nước đá – VII. Sự khác nhau về số phân tử nước trong những sườn hydrat hóa xung quanh những phân tử nước trong nước đá lập phương và lục phương. Có nhiều hơn một phân tử nước trong ô thứ hai của nước đá lục phương, nó ổn định lớn hơn. Những lổ trống trong nước
n ơ phương hình thành từ mười hai phân tử nước. Những lổ trống hình thành một mạng lưới h Nnước, sau đó cấu trúc xác định với những phân tử nước. Những lổ trống chứa một phânytử u nước đá –VII được hình thành. Q m Bảng 8. So sánh nước đá lục phương và nướcè đá lập phương K y 4 Hydration shell 1 2 3ạ 5 6 D Radius, nm 0.45 /+ 0.70 0.28 0.53 0.65 0.78 m (approx.) (0.46) (0.74) o c . Hexagonal ice, le 12 (+1) 9 4g 12 9 (+2) 18 o No. o G Cubic ice, No. 4 12 12 6 12 24
đá lập phương được hình thành từ mười phân tử nước và nó nhỏ hơn trong nước đá lục
Cấu trúc nước đá lập phương thể hiện sự giảm tính dẫn nhiệt bất thường với sự gia tăng áp suất (như nước đá lập phương và nước đá vô định hình tỷ trọng thấp) nhưng khác nhau từ hầu hết các tinh thể. III.3. Nước đá – XI Những phân tử nước đá Ih được bao quanh bởi bốn liên kết hydro trực tiếp một cách ngẩu nhiên. Những sự xắp xếp để thay đổi để trở nên trật tự (có quy tắc) của liên kết hydro tại nhiệt độ thấp, cũng như xác định vị trí proton di chuyển là cần thiết; một quá trình thực hiện dễ dàng với tăng áp suất. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 35
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước đá XI là sự cân bằng cấu trúc của nước đá Ih ở nhiệt độ thấp, được điều chế từ pha loảng dung dịch KOH (10mM) giữ chỉ dưới 72K (tại áp suất phòng; D2O ở 76K) khoảng một tuần. Nước đá XI còn có thể tạo ra từ film mỏng (20nm) của nước đá lập phương Ic tinh khiết không có chất tan dưới sự chiếu xạ tia electron.
n ơ h
N y u
Q m è Hình 15. Nước K đá XI yđá Ih cho phép proton có thể nhảy tự do ạ Những ion OH tạo ra những lổ hỏng trong nước D + nhiều hơn giữa những nguyên tử oxy /(chính vì điều này mà cấu trúc nước đá XI phá vở m “quy tắc nước đá”). o .ccân bằng với mạng lưới momen lưỡng cực lớn của mạng Những ion có thể llàm e g tinh thể dọc theo trụco–c. Sự mất entropy bởi những proton trật tự xảy ra để cho một cấu o đó thấp hơn 1/6 năng lượng của nó). Ion K chiếm giữ những vùng G(điều trúc ổn định hơn -
+
khe hở trong hộp lục phương. Nước đá XI về mặt hình thái nhiệt động học thì thích hợp tại áp suất khí quyển và nhiệt độ thấp. Nó là hình dạng proton trật tự của nước đá lục phương Ih hình thành những tinh thể trực giao (orthorhombic crystals) (nhóm không gian Cmc21, 36;đối xứng C2v Laue phân loại đối xứng mmm). Ô cơ sở có kích thước a = 4.5019, b = 7.7978 c = 7.3280 (90º, 90º, 90º, 8 phân tử) và thể hiện đối nhau. Hai nguyên tử oxy (1:2 50:50) và ba vị trí hydro (1:2:3 25:25:50) thì không tương đương nhau. Định hướng liên kết dọc theo trục –c tạo nên tính chất giống như hợp chất chứa sắt (vì điều đó mà nó có một mạng lướt momen lưỡng cực). Sự định hướng ngước nhau cả những phân CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 36
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học tử và lưỡng cực, của sự luân phiên những lớp trong mặt phẳng a-b tạo nên độ dịch chuyển tương đối nhỏ (~2%) (từ giữa những lớp qua phải, đối nhau). Có sự khác nhau rỏ rệt phổ Raman giữa nước đá Ih và nước đá XI, với nước đá XI thể hiện peak mạnh hơn nhiều nước đá Ih trong sự dịch chuyển (~230 cm-1), librational (~630 cm-1) và co giãn đối xứng trong pha ở những vùng (~3200 cm-1). Nước đá XI được cho là sự xắp xếp phân tử ổn định của nước đá Ih nhưng sự biến đổi từ nước đá Ih xảy ra rất chậm, cấu trúc của nó được tìm thấy nước đá Nam cự cổ đại 102 - 104 năm và những mẩu nước đá tinh khiết khác. Nghiên cứu này chỉ ra sự biến đổi nhiệt độ (nước đá XI
nước đá Ih) là -36ºC, nó cao hơn nhiều dự đoán, nhưng khổng
n ơ h
thể đạt được, điểm ba (nước đá Ih và hơi nước) của xúc tác KOH nước đá XI (~0 Pa, 71.6
N y u
K).
Nước đá XI có một điểm ba với nước đá Ih và hơi nước (72 K, ~0 Pa). Có thể có
Q m è hiện được K ycủa nước III.4. Nước đá vô định hình và dạng thủy tinh ạ D III.4.1. Nước lạnh không ổn định /+ m o c . e l g o o G
dạng một proton trật tự của nước đá lập phương gọi là XIc nhưng điều này chưa thực
Hình 16: Những pha nước khác nhau tại áp suất khí quyển ở những nhiệt độ khác nhau Làm lạnh nước lỏng dưới điểm đông đặc thông thường của nó hình thành nước đá rắn lục phương Ih. Nếu nó là chất tinh khiết và được làm lạnh cẩn thận, nước lỏng chậm CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 37
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học đông khoảng -42 °C. Nếu làm lạnh rất nhanh nước lỏng tạo thành một dạng thủy tinh, ví dụ dạng thủy tinh hyperquenched của nước (HGW). HGW được hình thành từ bởi sự phun nhanh của tia nước kích thước giọt –µm vào trong khí hóa lỏng lạnh (ví dụ như propane), hoặc trên nền chất rắn lạnh khoảng dưới 80K hoặc bởi làm lạnh ống mau quản chứa nước lỏng (đường kính ~100 µm) với Helium lỏng ở 4.2K. Những phương pháp làm lạnh này với tốc độ lớn hơn 105 K s-1. Những dạng thủy tinh này có cấu trúc và nhiệt động học tương tự với nước lỏng tại 273 K, do bởi phương pháp tạo thành và tính chất vô dịnh hình của nó. Một vật liệu tương tự là nước rắn vô định hình (ASW), được hình thành bởi sự lắng đọng hơi nước
n ơ gọi là dạng thủy tinh tỷ trọng thấp 0.94 g cm chứa những lổ trống và đung đưa với liên h Nchuyển thành vật liệu kết hydro, nó được loại bỏ bởi ủ dưới chân không khi thủy tinh y u không thể phân biệt với HGW hay nước đá vô định hình tỷQ trọng thấp (LDA, 0.94 g cm ) m ở nhiệt độ cao hơn một ít. è K Nước thủy tinh tỷ trong cao (HDG,1.1 gycm ), được hình thành bở sự lắng đọng ạ D hơi nước tại 10K và tùy thuộc vào sự chiếu xạ tia vũ trụ, đây là điều phổ biến nhất hình + / thành nước trong vũ trụ. Chú ý rằng nước đá 10K có sự tăng rất lớn số phân tử nước giữ m o lại theo khoảng cách van der.c Waals (~3.3 Å), tạo nên tỷ trọng cao hơn, điều này không lelắng đọng (deposited) tại 77K. thể hiện diện nếu hơi nước g o Gần đây cóo nhiều điều lý thú trong nước đá vô định hình tỷ trọng cao, nước đá tỷ G chầm chậm tại < 2 nm s-1 trên một bề mặt tinh thể kim loại rất lạnh dưới 120K. ASW còn -3
-3
-3
trọng cao HDA, 1.17 g cm-3 tại 0.1 MPa) và nước đá tỷ trọng rất cao (VHDA, 1.26 g cm3
tại 0.1 MPa), được hình thành từ LDA hay tinh thể nước đá. Nước dạng rắn có thể tồn tại một số dạng không kết tinh (dạng thủy tinh), nó có
những tính chất vật lý đặc biệt như tỷ trọng và phổ dao động. Vật liệu vô định hình chúng hầu hết có những tính như thủy tinh, và có những tính chất lỏng tùy thuộc vào thời gian quan sát. Tất cả dạng rắn vô định hình có thể tái tạo lại ở áp suất phòng (0.1 MPa) tại 77 K ( nitrogen lỏng) nơi mà dạng không ổn định dài hơn chù kỳ bình thường.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 38
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n ơ h
N y u
Q m è K ạy
Hinh 17. Sự chuyển pha của các dạng nước III.4.2. Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh
D + m/
o c . le
G
g o o
Hình 18. Giản đồ pha P-T không ổn định CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 39
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Trên hình trên,đường chấm đỏ thể hiện một vị trí cho điểm tới hạn thứ hai của nước (đang còn tranh cải). Đường có sự biến động lớn nhất (the 'Widom' đường) gần phía trên đường 'No man's land' và kết thúc trong điểm tới hạn thứ hai tại áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn. Nước lỏng cũng thay đổi cấu trúc khoảng 200 MPa có thể có sự tham gia VHDA mặc dù đường pha thì không rỏ ràng. Nước lỏng chậm đông có độ nhớt cao có thể hình thành cả rắn LDA cả rắn HAD với cấu trúc tương tự nhau. Sự chuyển thể xảy ra khi làm nóng vô định hình LDA khoảng 136 K, hoặc gia nhiệt rắn HDA tại 1 GPa từ khoảng 130 K. Sự chuyển HAD là thuận nghịch ở nhiệt độ thấp pha nước lỏng tỷ trọng cao với làm lạnh liên tục theo sau.Nhiểu
n ơ h
xạ tia –X thể hiện sự chuyển tiếp pha lỏng ultraviscous của LDA và HAD khoảng 140k và 0.2GPa. III.4.3. Nước đá vô định hình tỷ trọng thấp (LDA)
N y u
Q m định hình tỷ trọng cao (HDA) chỉ trên 120 K ở áp suất khí quyển, ngoài ra còn có một số è K cách khác như LDA-I thu được bằng cách làm ấm HAD đẳng áp ở áp suất phòng, và y ạ D K. Nó ổn định khoảng một tháng tại 77K và LDA-II thu được khi giải nén VHDA tại 143 + / áp suất phòng nhưng chuyển thành nước đá lập phương khoảng 150-160 K. Nó có khối m o c lượng riêng ES of 0.94 g cm (LDA của D O có khối lượng riêng 1.04 g cm tại 0.1 . e MPa) và có sự xắp xếpgtựl diện liên kết hydro phân tử nước với bốn phân tử gần nhất và o dạng mắt lưới. o G LDA được điều chế từ nước thủy tinh như ở trên, bằng cách làm ấm nước đá vô
-3
2
-3
III.4.4. Nước đá vô định hình tỷ trọng cao (HDA)
HDA được tạo ra bằng cách cho nước đá (Ih, Ic, XIa or LDA) chịu áp suất thấp đến áp suất cao (~1.0 GPa, Ih; ~0.5 GPa, LDA) tại nhiệt độ thấp khoảng 125K. Nó ổn định hang tháng tại 77K và áp suất phòng. HAD có khối lượng riêng 1.17 g cm-3 tại 0.1 MPa (1.31 g cm-3 tại 1.0 GPa; HDA of D2O có khối lượng riêng 1.30 g cm-3 tại 0.1 MPa).
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 40
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n ơ h
N y u
Q m è K ạy
D + / rất cao (VHDA) III.4.5. Nước đá vô định hình tỷ trọng m ophát hiện 2001 và được điều chế nước đá HAD tại 77K c VHDA lần đầu tiên được . leđến 160 K tại 1.15 GPa. Khi thự hiện quá trình ủ đẳng áp của thực hiện đẳng áp gia nhiệt g oGPa với nhiệt độ tăng từ 77K, VHDA sự thay đổi tại 0.8 GPa với tỷ o HAD giữa 0.3 và 1.9 G trọng cao hơn bởi nén đàn hồi. Hinh 19. Tỷ trọng của các pha nước khác nhau phụ thuộc vào áp suất
LDA
e-HDA
VHDA quá trình chuyển thì thuận nghịch . D2O có tính chất
tương tự như nước nhưng với sự kết tinh, một hỗn hợp nước đá ở áp suất cao diễn ra trên 143K hơn là 140K. Phổ diện môi chỉ ra rằng VHDA có thể hình thành trạng thái nước không ổn định ultraviscous tại 1GPa và trên 140 K. VHDA được hình thành từ HAD bởi quá trình giản cấu trúc (biết đến rHDA), nó có thể xem như ổn định hơn HAD tại 77K và áp suất phòng. Nó có khối lượng riêng 1.25g cm-3 tại 0.1 MPa (1.37 g cm-3 tại 1.4 GPa), nó có sự hiện diện của vài vòng đan xen
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 41
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học nhau điều này xảy ra tương tự như nước đá –VI. Sự thay đổi từ HAD có thể xảy ra bởi tăng trật tự, tạo ra cấu trúc xít đặc hơn. Khoảng cách gần nhất của phân tử nước và phân tử nước tăng lên từ 2.75Å(LDA), đến 2.80 Å (HAD), đến to 2.83 Å cho VHDA; sự gia tăng này vì tăng số phân tử nước không liên kết hydro trong ô hydrat hóa đầu tiên từ 0 đến 1 rồi đến 2 theo thứ tự LDA, HDA, và VHDA; những phân tử nước này đễ dàng hướng ra bên ngoài như nước lỏng tỷ trọng cao. Điều thú vị, khi làm ấm với áp suất khác nhau giữa 0.3 và 2 GPa, VHDA tái kết tinh vào trong chỉ những proton không trật tự nước đá III, IV, V, XII, VI và VII theo thứ tụ tăng áp suất nhưng không vào trong pha proton trật tự như nước đá II (trong sự
n ơ Mô phỏng động học phân tử chỉ ra rằng HDA liên quan đến VHDA liên tục và sự h Nphân tử, và hiệu quả làm cho đặc nguyên nhân do tăng vòng liên kết hydro chứa 8-10 y u đóng kín như nước đá-XII với 7-8 vòng của nó và tương tựQ khối lượng riêng. Nếu áp suất m cao (nước đá VII hay nước đá sử dụng cao hơn (2 - 4 GPa) ở HDA thì nước đá ápèsuất K VIII) được hình thành. VHDA thể hiện cấu trúcytương tự với áp suất cao, lạnh (>0.2 GPa, ạ D < 273 K; làm lạnh và nước lỏng chậm đông tỷ trọng cao) và nước nóng (6.5 GPa và 670 + / K ). m o c . e l g o o G trái ngược HDA có thể hình thành nước đá- IX )
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 42
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV. Giản đồ pha nước ở áp suất cao
n ơ h
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
Hình 20. Giản đồ pha của nước đá ở áp suất cao IV.1. Nước đá – II
g o o
Nước đá – II được tổng hợp từ nước đá lục phương tại 198oK và 300 MPa hoặc
G
bởi xả nén nước đá – V tại 238oK nhưng không dễ dàng hình thành bởi làm lạnh nước đá – III.
Hình 21. Cấu trúc nước đá -II Ô cơ sở được hình thành tinh thể hình thoi (nhóm không gian
) thì thể hiện đối
nhau. Trong tinh thể, tất cả các phân tử nước có liên kết hydro với bốn các phân tử khác, CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 43
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học hai nhóm nguyên tử cho và hai nhóm nguyên tử nhận. Nước đá-II tồn tại không ổn định dưới khoảng 100oK giữa áp suất phòng và ~5 GPa. Ở áp suất phòng nó không chuyển đổi ngược vào trong nước đá lập phương trên 160 oK. Như góc liên kết H-O-H không khác nhau nhiều của phân tử riêng lẽ, những liên kết hydro thì không thẳng. Mối quan hệ của cấu trúc nước đá – II và nước đá cấu trúc – Ih có thể được thấy rằng bởi sự tháo ra những cột trụ của những vòng nước đá lục phương Ih, di chuyển tương đối lên xuống một cách tương đối tại những góc của mặt phẳng, quay khoảng 30° xung quanh trục và liên kết hydro liên kết lại trong một cách tác động để cho tỷ trọng 1.16 g cm-3. Liên kết hydro thì trật tự và cố định trong nước đá – II, có thể thấy liên kết
n ơ h
vòng xung quanh sáu cạnh. Một vài liên kết hydro trong nước đá – II bị cong và liên kết hydro yếu hơn nhiều nước đá lục phương.
D + m/
N y u
Q m è K ạy
o c . le
G
g o Hình 22. Hình lục phương nhìn xuống trục – c . o
Ô cơ sở bao gồm hai liên kết hydro sáu cạnh, một dạng ghế (trên trái) và một mặt phẳng (trên phải). Hai phân tử tiến gần (3.23 Å) nhưng chúng không liên kết hydro. Tinh thể hình thoi có ô cơ sở có kích thước 7.78 Å (a, b, c; 113.1°, 113.1°, 113.1°, 12 mols) mỗi chứa 12 phân tử nước. Dễ dàng nhìn thấy tinh thể lục phương, mỗi ô cơ sở chứa 36 phân tử nước (thể hiện đối nhau, với kích thước a, b, c; 12.935 Å, 12.935 Å, 6.233 Å; ở 225 oK. 0.25 GPa.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 44
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n ơ h
Nước đá – II có những điểm ba với nước đá Ih và nước đá – III (-34.7 °C, 212.9
N y VI (khoảng -55 °C, 620 MPa). Hằng số điện môi của nước đá u –II khoảng 3.7. Q IV.2. Nước đá – III m è K y ạ D + / m o c . le g o o G Hình 23. Nước đá-III
MPa), nước đá – III và nước đá –V (-24.3 °C, 344.3 MPa) và nước đá – V và nước đá –
Nước đá – III được hình thành từ nước tại 300 MPa bởi sự làm giảm nhiệt độ đến 250 oK. Nó ổn định trên một khoảng nhỏ của những điều kiện không gian pha P-T. Ô cơ sở của nó hình thành dạng tinh thể tứ diện (nhóm không gian P41212, 92; Laue phân loại đối xứng 4/mmm; tương tự keatite silica), được thể hiện đối nhau. Trong tinh thể, tất cả các phân tử nước được liên kết hydro với bốn phân tử nước, hai chất cho và hai chất nhận. Nước đá – III chứa năm vòng liên kết với nhau bicyclo-heptamers và có tỷ trọng 1.16 g cm-3 (tại 350 MPa nơi mà nước có khối lượng riêng 1.13 g cm-3). Liên kết hydro thì không có trật tự và thay đổi như trong nước đá lục giác. Tinh thể tứ diện là pseudoCBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 45
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học lập phương với ô có kích thước 6.666 Å (a) và 6.936 Å (c; 90º, 90º, 90º; tại 250 K và 280 MPa) và chứa 12 phân tử nước. Nước đá – III chứa năm vòng bicyclo-heptamers và có khối lượng riêng 1.16 g cm-3 (tại 350 MPa, ở đó nước có khối lượng riêng 1.13 g cm-3). Liên kết hydro thì không có trật tự và luôn thay đổi nước đá lục phương. Tinh thể tứ diện pseudo-cubic với ô cơ sở có kích thước 6.666 Å (a) và 6.936 Å (c; 90º, 90º, 90º; tại 250 K và 280 MPa) và chứa 12 phân tử nước Nước đá – III chưa ổn định có thể hình thành trong vòng khoảng không gian pha nước đá-II bằng cách tăng tốc độ nén trong pha chuyển tiếp từ nước nước đá lục phương
n ơ Nước đá – III có những điểm ba với nước lỏng và đá Ih (-21.985 °C, 209.9 MPa), h nước lỏng và nước đá – V (-16.986 °C, 350.1MPa), nước đá Ih y vàN nước đá- II (-34.7 °C, u 212.9 MPa), nước đá-II và nước đá –V (-24.3 °C, 344.3Q MPa). Hằng số điện môi của m nước đá –III khoảng 117. è K y ạ D + / m o c . e l g o o G xuống đến 170 oK.
Hình 24. Cấu trúc nước đá-III
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 46
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV.3. Nước đá – IV
n ơ h tỷ trọng cao tại Nước đá – IV được hinh thành bởi sự gia nhiệt nước đá thù hình N y một tốc độ rất thấp (0.4 K min ) từ 145 K và tại một hằng sốuáp suất 0.81 GPa (một tốc Q độ nhanh hơn, ví dụ 15 K min , tốt nhất tạo ra nước đá – XII. Nước đá IV không ổn định m è trong không gian pha nước đá –III, nước đá-V, vàKnước đá –VI. Nó hình thành một dạng yLaue phân loại đối xứng -3m1) với ô cơ ạ tinh thể hình thoi (Nhóm không gian , 167, D70.1°, 16 phân tử). + sở kích thước 7.60 Å (a, b, c; 70.1°, 70.1°, / m o c . le g o o G Hình 24. Nước đá – IV
-1
-1
Hình 25. Mạng tinh thể nước đá-IV
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 47
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Liên kết hydro dài hơn (2.921Å) nhưng những phân tử nước có ba liên kết hydro ngắn hơn (2.783 Å). Mạng lưới không hoàn toàn độc lập như ba phần tư của những phân tử nước có một liên kết hydro yếu hơn với mạng lưới khác (2.806Å, 143°); liên kết thứ tư của liên kết hydro hiện diện. IV.4. Nước đá – V
n ơ h
N y u
D + m/
o c . le
Q m è K ạy
Hình 26. Nước đá V
Nước đá –V được hình thành từ nước lỏng tại 500 MPa bằng cách giảm nhiệt độ nước lỏng xuống 253 K. Mỗi ô cơ sở của nó hình thành tinh thể dạng ba trục không đồng
g o o
đều (Nhóm không gian C2/c,15; Laue phân loại đối xứng 2/m), thể hiện đối nhau. Nước
G
đá –V chứa 4,5,6,và 8 vòng ( đó là cấu trúc con có hai trong mỗi phân tử) và những nhóm của bảy phân tử tại bốn vùng mạng lưới khác nhau (ba chứa hai phân tử và một chứa một phân tử) với mỗi phân tử khác nhau. Mỗi chuổi của phân tử nước (O4), với mỗi chuổi hình thành một góc của hai được nối bốn vòng chạy song song với trục-a. Những chuổi song song của hai vùng thay thế (O2 và O3) mà được tham gia với nhau xuyên qua những lổ trống trong chuổi đầu tiên bởi một số của bốn loại (O1). Những phân tử nước O4 có liên kết hydro với những phân tử nước O2 và O3 nhưng không liên
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 48
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học kết hydro với phân tử O1. Những phân tử phía sau hình thành liên kết hydro bằng cách đan xen vào nhau (đi xuyên qua) cấu trúc những vòng 7 phân tử.
Hình 27. Mạng nước đá-V
n ơ h
N y u
Q m è K thì không có trật tự và thay đổi như nước đá lụcyphương. Những tinh thể có ô kích thước ạ90°, 28 phân tử; ở áp suất khí quyển và 98 9.22 Å, b 7.54 Å, và c 10.35 Å, (90°, 109.2°, D + / K) và mỗi ô cơ sở chứa 28 phân tử nước. m o Nước đá –V có nhữngcđiểm ba: nước lỏng và nước đá III (-16.986 °C, 350.1 . MPa), nước lỏng và nướcle đá –VI (0.16 °C, 632.4 MPa), nước đá –II và nước đá -III (g o 24.3 °C, 344.3 MPa), nước đá – II và nước đá –VI khoảng -55 °C, 620 MPa). Hằng số o G đá – V là 144. điện môi của nước Tất cả những phân tử hình thành một mạng lưới liên kết nhau với khối lượng riêng
1.24 g cm-3 (ở 350 MPa mà ở đó khối lượng riêng của nước 1.13 g cm-3). Liên kết hydro
Đường nóng chảy của nước đá –V cho bởi công thức:
(MPa ). Trong cấu trúc này thì liên kết hydro không trật tự. Dạng liên kết hydro trật tự của nước đá – V là nước đá – XIII.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 49
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV.5. Nước đá – VI
n ơ h
Hình 28. Nước đá VI
N y u
Q m è tứ diện (P4 /nmc, 137; Laue phân nước lỏng đến 270 K. Mỗi ô cơ sổ tạo thành tinh thể K y silica. Trong tinh thể, tất cả các loại đối xứng 4/mmm) nó tương đương với ạ edingtonite D tử khác, hai cho và hai là chất nhận. phân tử nước thì liên kết hydro đến bốn+ phân /liên kết như tricyclo-hexamers và có khối lượng Nước đá – VI chứa bốn vòng m o riêng 1.31 g cm (ở 0.6 GPa.c mà ở đó khối lượng riêng của nước 1.18 g cm ; khác với lgecm tại 81.6 °C và 2.15 GPa). Ở đó có hai mạng lưới đan xen g khối lượng riêng chỉ 0.03 oliên kết bằng liên kết hydro, kết quả điều này làm nó tương đồng với o vào nhau với không G Nước đá –VI được hình thành từ nước lỏng tại 1.1 GPa bằng cách hạ nhiết độ của 2
a
-3
-3
-3
đóng kín octahedral (mỗi tricyclo-hexamer tương đồng với biến dạng octahedron).Mỗi
mạng lưới liên kết với nhau xuyên qua những phân tử nước gần xích đạo thứ tư trong hexamers. Liên kết hydrogen thì không có trật tự và thay đổi nhanh như nước đá lục phương. Có hai loại khác biệt rỏ rệt của phân tử nước loại a (20%) và b (80%) và bốn loại phân biệt rỏ rệt của liên kết hydro được đề cập: 1 (20%), 2 (40%), 3 (20%), và 4 (20%).
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 50
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n ơ h
N y u
Q m = 5.698 Å (90º, 90º, 90º; D O, tại 1.1 GPa và 225K K)è và chứa 10 phân tử nước. Một trong y hai mạng lưới độc lập là cho bởi những nguyên ạ tử hydro màu vàng. D + đá- II và nước đá -V (khoảng -55 °C, 620 Nước đá –VI có những điểm ba: với/nước m °C, 632.4 MPa), nước đá VII và nước đá-VIII (~5 MPa), nước lỏng và nước đá –Vo (-0.16 c °C, 2.1 GPa), nước lỏng e và.nước đá –VII (355 K, 2.216 GPa). Hằng số diện môi của l g nước đá VI là lớn nhất o trong tất cả các loại nước đá khoảng 193. o Đường nóng G chảy của nước đá VI cho bởi công thức Hình 29. Tinh thể bốn phương
Tinh thể bốn phương (thể hiện đối nhau) có ô mạng kích thước a, b = 6.1812 Å, c 2
(MPa) Dự đoán những dạng nước đá-VI hình thành pha liên liết hydro trật tự (đề nghị dạng nước đá –XV) gần 108 K và 80K. Pha nước đá XV gần đây thí nghiệm cho khoảng dưới 130 K. IV.6. Nước đá – VII Nước đá –VII được hình thành từ nước lỏng trên 3 GPa bằng cách hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ phòng. Nó có thể tồn tại ở nhiệt độ thấp và áp suất phòng bằng cách xả CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 51
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học nén (D2O) nước đá VI dưới 95K và nó là dạng không ổn định trên một khoảng rộng áp suất, chuyển thành LDA trên 120K.
n ơ , 224; Laue phân h
Hình 30. Nước đá VII Ô cơ sở của nước đá VII hình thành tinh thể lập phương (
N y u
loại đối xứng m-3m) chứa hai mạng lưới nước đá lập phương đan xen nhau với những
Q m không liên kết bằng liên kết hydro giữa các mạng lưới. Nó có khối lượng riêng khoảng è K 1.65 g cm (ở 2.5 GPa và 25 °C ), nó nhỏ hơny hai lần khối lượng riêng của nước đá lập ạ phương vì mạng lưới liên phân tử O….O D khoảng cách dài hơn 8% (ở 0.1 MPa). Tinh thể /+ lập phương (thể hiện đối nhau) có m ô mạng với kích thước 3.3501 Å (a, b, c, 90º, 90º, 90º; o D O, tại 2.6 GPa và 22 °C ) và chứa hai phân tử nước. c . e Liên kết hydro g thìl không có trật tự và thay đổi nhanh như dạng nước đá lục ođá VII chịu mộ proton không trật tự - trật tự chuyển thành nước đá phương nhưng nước o G VIII ở 5 °C; nước đá VII và nước đá VIII có cấu trúc xác định cách xa proton có trật tự. liên kết hydro đi ngang qua trung tâm của những phân tử nước sáu cạnh (hexamers) và -3
2
Nước đá VII là dạng không ổn định tại 77K.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 52
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Hình 31. Giản đồ pha P-T của ba dạng nước đá Nếu áp suất tăng trên 14 GPa thì ở đó có những thay đổi của proton trật tự. Điều này được thể hiện ở Phase diagram và cho mất sụ đối xứng lập phương. Điều này do sự
n ơ h
ion hóa với một vài ion hydro chiếm những lổ trống của octahedral, thậm chí tăng nhiều
N y u trong mỗi sáu vị trí được chiếm đóng (như hình phía dưới). Những proton này không thể Q tạo những liên kết hydro bình thường với những nguyên tử oxy của phân tử nước. Ở áp m è đá –X lập phương nơi mà hầu hết suất cao hơn nước đá VII tiếp tục chuyển thành nước K y tử oxy. ạ những nguyên tử hydro ở giữa giữa những nguyên D + / m o c . le g o o G
hơn 30 GPa ở đó tại một khe chiếm mỗi hai phân tử nước; điều này tương đương với hai
Hình 32. Nước đá –VII thể hiện những lổ trống octahedral (thể hiện trong hình là hình cầu màu xanh từ a-f) Trái lại với nước đá lục phương, nước đá tỷ trọng cao kết hợp chặt chẽ với một vài chất tan vào trong cấu trúc tinh thể của chúng. Nước đá –VII kết hợp chặt chẽ với 7.5 wt % NaCl vào trong những lổ trống octahedral tại áp suất cao (ví dụ 4-21GPa). Sự kết hợp CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 53
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học chặt chẽ này là nguyên nhân làm giảm kích thước ô cơ sở và làm tăng khối lượng riêng lên rất nhiều. Nước đá – VII có những điểm ba; nước đá-VI và nước đá -VIII (5 °C, 2.1 GPa), nước đá VIII và nước đá X (100 K, 62 GPa), nước lỏng và nước đá –VI (355 K, 2.216 GPa). Điều thú vị khi áp suất cao (~ 2.3 GPa), nước lỏng có thể được làm đông đặc trên 100 °C (và nặng hơn nhiều nước đá –VII). Hằng số điện môi của nước đá VII khoảng 150. IV.7. Nước đá – VIII
n ơ h
N y u
Q m è K yđá VIII ạ Hình 33. Nước D + Nước đá –VIII được hình thành/từ nước đá VII bằng cách hạ nhiệt độ của nó. Liên m kết hydro thì được xắp xếp trật o tự và cố định như nước đá VII chỉ một proton không trật c . e tự - trật tự chuyển thành nước l đá VIII khi làm lạnh khoảng 5 °C; nước đá VII và nước đá g VIII có cấu trúc xácođịnh cách xa proton trật tự. Proton trật tự này là nguyên nhân gây Go biên dạng một ít trong mạng lưới nước đá-VII (a,b ngắn hơn một ít, c dài hơn một ít) kết
quả trong cấu trúc tinh thể tứ diện (I41/amd, 141; Laue phân loại đối xứng 4/mmm)nơi mà tất cả các phân tử nước thì liên kết bằng liên liên kết hydro với bốn phân tử khác, như hai chất cho và hai chất nhận. Tương tự với nước đá-VII, nước đá –VIII chứa hai mạng lưới nước đá lập phương đan xen vào nhau.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 54
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Hình 34. Mạng nước đá VIII
n ơ h cách O····O dài hơn hai lần khối lượng riêng nước đá lập phương như mạng lưới khoảng N ynước đá –VIII nhẹ hơn hơn để tạo điều kiện cho sự đan xen nhau. Thể tích mol của u (khoảng 0.65 mm mol ) của thể tích mol nước đá VII dọcQ theo đường chuyển pha. m è và nước đá VII (5 °C, 2.1 GPa), Nước đá – VIII có những điểm ba: nước đá –VI K y số điện môi của nước đá- VIII là 4. nước đá VII và nước đá-X (100 K, 62 GPa). Hằng ạ Tinh thể nước đá VIII có kích/thước +D ô mạng a, b = 4.4493 Å, c = 6.413 Å (90º, mchứa 8 phân tử nước trên mỗi ô cơ sở. 90º, 90º; D O, tại 2.6 GPa và 22o °C, c . IV.8. Nước đá – IX e gl bằng với nhiệt độ thấp, ít nặng, cấu trúc nước đá-II (Nhóm Nước đá –IXocân o không gian P4G 2 2, kích thước ô mạng 6.692 Å (a)và 6.715 Å (c) ở 165 K và 280 MPa. Nước đá –VIII có khối lượng riêng khoảng 1.66 g cm-3 (tại 8.2 GPa và 223 K ), ít
3
-1
2
1 1
Nước đá-IX là dạng không ổn định của không gian pha nước đá –II và chuyển thành
nước đá-II hơn là chuyển thành nước đá-III khi nóng lên. Sự thay đổi proton không trật tự là một quá trình không hoàn chỉnh bắt đầu với nước đá –III mà nó chỉ hoàn thành tại nhiệt độ thấp nhưng trước tiên thứ tự chuyển tiếp gần 126 K. Liên kết hydro thì hầu như trật tự như nước đá III chịu một proton không trật tự - trật tự chuyển thành nước đá –IX khi làm lạnh nhanh với nitrogen lỏng (77 K, vì vậy tránh hình thành nước đá -II; nước đá –III và nước đá –IX có cấu trúc xác định cách xa proton trật tự.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 55
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học IV.9. Nước đá – X
Hình 35. Nước đá X
n ơ h
Khi áp suất nâng lên thì khoảng cách O···O co lại, nước đá-VII chịu sự chuyển
, a, b, c = N y u 2.78 Å tại 62 GPa, 300 K ) nơi mà những proton nước đá được đặt những vị trí ngang Q bằng nhau (và liên kết được cân bằng) giữa những nguyên m tử oxy trong mạng tinh thể è K bị cắt xén trong xắp xếp lập phương phân tử. Những nguyên tử oxy trong a body-centered y ạtrong a body-centered bị cắt xén trong xắp (8 phân tử lân cận) và những nguyên tử hydro D + xếp lập phương (12 phân tử lân cận). /Nó giống như nước đá X bị ion hóa một phần với m o một vài proton chiếm đóng trong những lổ trống the octahedral điều này nó phát triển c . e thấp. trong nước đá –VII tại áplsuất g o . o G pha thành nước đá lập phương X, hay nước đá-X (vẫn nhóm không gian
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 56
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Đường nóng chảy của nước đá X thì được đề nghị tại nhiệt độ cao (1000-2400 K). Nước đá –X đạt được khi tăng áp suất từ nước lỏng rất nóng và năng lượng liên kết là nhỏ nhất gần với những phân tử khác, những proton trao đổi nhanh chóng cho nhiều đời sống ngắn của OH- và ion H3O+. Trong nước đá –X, những proton thì ít di động hơn nước đá –VII và ở đó có một năng lượng thấp nhất cho mỗi liên kết O-H-O. Nước đá-X có những điểm ba: nước đá-VII và nước đá -VIII (100 K, 62 GPa), nước đáVII và nước (~1000 K, ~47 GPa). IV.10. Nước đá – XII
n ơ h
N y u
Q m è K ạy
D + / 36. Nước đá XII Hình m o c Nước đá XII được hình thành bởi gai nhiệt nước đá vô định hình tỷ trọng cao ở áp . ltừe77 K đến ~183 K với tốc độ ≥ 15 K min và được thu hồi lại suất không đổi 0.81 GPa g o77K ; tại một tốc độ thấp hơn (≤ 0.4 K min ) thích hợp cho việc o tại áp suất khí quyển G tạo ra nước đá –IV. -1
-1
Nước đá XII thì không ổn định trong không gian pha nước đá –V và nước đá –VI. Nước đá XII hình thành tinh thể tứ diện (Nhóm không gian
, 122; phân loại đối xứng
4/mmm). Trong tinh thể, tất cả những phân tử nước liên kêt hydro với bốn phân tử khác, hai cho và hai nhận. Nước đá XIII chứa một xắp xếp loại liên kết hydro như chân vịt (của tàu thủy) (tay phải gấp đôi lên hình xoắn ốc) không giống với những dạng tinh thể của nước đá còn lại, với vòng có kích thước nhỏ nhất có thể chứa 7 phân tử.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 57
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước đá XII có khối lượng riêng 1.30 g cm-3 tại 127 K và áp suất phòng, lớn hơn nước đá V một ít (1.23 g cm-3). Liên kết hydro thì không có trật tự và luôn thay đổi như trong nước đá Ih.
n ơ h
N y u
Q m è Hình 37. Tinh thể bốn phương K y a, b = 8.276 Å và c =4.027 Å (90º, 90º, Tinh thể bốn phương có kích thước ô mạng ạ D 90º) và chứa 12 phân tử nước. Nước đá+ XII chưa ổn định trong không gian pha nước đá – / m V. o c . Dạng liên kết hydro trật tự của nước đá XII là nước đá XIV. e l g IV.11. Nước đá – XIII o o G
Hình 38. Nước đá XIII
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 58
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Nước đá XIII là dạng proton trật tự của nước đá –V, được hình thành bởi dùng chất kích động HCl dưới 130K và 500 MPa để làm cho sự chuyển pha dễ dàng. Có sự chuyển pha thuận nghịch giữa nước đá XIII và (không ổn định) nước đá V được quan sát 80 và 120 K. Tinh thể monoclinic P21/a với ô mạng kích thước a 9.24 Å, b 7.47 Å, và c 10.30 Å (90°, 109.7°, 90°, 28 phân tử; ở áp suất khí quyển và 80 K) và mỗi ô cơ sở chứa 28 phân tử nước. IV.12. Nước đá – XIV
n ơ h
N y u
Q m è K ạy
D + / Nước đá XIV là dạng proton trật tự của nước đá XII, được hình thành bởi dùng m oDCl với D O) dưới 118 K và 1.2 GPa để tạo thuận lợi c chất kích động 0.01 M HCl .(như le cho sự chuyển pha. Sựgchuyển pha là thuận nghịch với nhiệt độ thay đổi, nhưng dạng o proton trật tự củaonước đá XIV thì ít hơn thì được tìm thấy ở áp suất thấp. Tinh thể G Hình 39. Nước đá XIV
2
orthorhombicP212121 với ô mạng kích thước a 8.350 Å, b 8.139 Å và c 4.083 Å (90°, 90°,
90°, 12 phân tử; ở áp suất khí quyển và 80 K) và mỗi ô cơ sở chứa 12 phân tử nước. 8 trong số 24 vị trí proton trong ô cơ sở (như được đánh dấu * hình thành những dây chuyền đối nhau); thể hiện trật tự vượt trội) hầu hết proton còn lại thì không có trật tự. IV.13. Nước đá – XV
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 59
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Hình 40. Nước đá XV
n ơ h
Nước đá XV là dạng liên kết hydro trật tự của pha nước đá VI. Cấu trúc của nó sử
N y hydrochloric acid) như là chất khơi màu để giúp cho sự xắpuxếp có trật tự của liên kết Q hydro ở nhiệt độ thấp (<130 K). m è Ice XV thì trái ngược với hợp chất của sắt với tất cả các lưỡng cực của phân tử K yhai mạng đan xen nhau có liên kết hydro ạ nước bị phá hủy bởi sự tách rời của một trong D + / xắp thẳng hàng ngược nhau. m o thì trong nhóm không gian , có kích thước ô Tinh thể pseudo-orthorhombic, c . mạng a = 6.2323 Å, b =le 6.2438 Å, c = 5.7903 Å (90.06º, 89.99º, 89.92º; D O, tại ~0.9 g o GPa và 80 K). o Nước đáG XV có những điểm ba; nước đá-VI và nước đá –II (khoảng 130 K, 0.8
dụng dạng đầy đủ của D2O. Nó được điều chế bằng cách dùng 0.01 M DCl (deuterated
2
GPa), và nước đá VI và nước đá-VIII (khoảng 130 K, 1.5 GPa).
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 60
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học PHẦN 2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON CHƯƠNG 3. CACBON VÀ GIẢN ĐỒ PHA CỦA CACBON I. Sơ lược về nguyên tố Cacbon (C). Cacbon là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên tử bằng 6. Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến, cacbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ biến nhất là 3 dạng thù hình gồm cacbon vô định hình, graphit và kim cương. Cacbon tồn tại trong mọi sự sống hữu cơ và nó là nền tảng của hóa hữu cơ. Phi kim này còn có thuộc tính hóa học đáng chú ý là có khả năng tự liên kết với nó và liên
n ơ Có ba loại đồng vị của cacbon xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất:h99% là cacbon-12, N khoảng một phần 1% là cacbon-13, và cacbon-14 xuất hiện với một lượng rất nhỏ,ychiếm u nghìn tỷ (0,0000000001%) của cacbon trong khí quyển. Q m I.1. Ba dạng thù hình phổ biến nhất của Cacbon è K y I.1.1. Cacbon vô định hình ạ D Trong khoáng vật, cacbon vô định hình là tên được sử dụng đối với than đá, than + / đen, bồ hóng, nhọ nồi, than hoạt tính. m o c đặc trưng bởi tỉ lệ lai hóa giữa sp với sp , trong khi Cacbon vô định hình .được e lthái lai hóa sp , còn kim cương hoàn toàn sp . graphit hoàn toàn ở trạng g ogọi là than chì) o I.1.2. Graphite: (còn G Các khoáng chất tự nhiên chứa graphit bao gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên kết với một loạt các nguyên tố khác, tạo ra gần 10 triệu hợp chất đã biết.
2
2
3
3
thạch chứa sắt và tuamalin (là một khoáng vật silicat vòng, là loại đá bán quý và trang sức có nhiều màu sắc khác nhau) Các lớp mỏng graphit dẻo nhưng không đàn hồi, khoáng chất này có thể để lại dấu vết màu đen trên tay và giấy, dẫn điện và có độ nhớt cao. I.1.3. Kim cương Kim cương được tạo thành từ những khoáng vật có chứa cacbon dưới nhiệt độ và áp suất rất cao. Trên Trái Đất, mọi nơi đều có thể có kim cương bởi vì ở một độ sâu nào đó thì sẽ tồn tại nhiệt độ đủ cao và áp suất đủ lớn để tạo thành kim cương. Trong những CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 61
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
n có áp suất lục địa, kim cương bắt đầu hình thành ở độ sâu khoảng 150 km (90 dặm), nơi khoảng 5 GPa và nhiệt độ khoảng 1200 độ C (2200 độ F). II. Cấu trúc của các dạng tồn tại phổ biến của Cacbon. II.1. Kim cương Là một dạng thù hình cứng nhất của cacbon cho đến khi A.Geim và S. Novoselov tìm ra một thù hình khác của cacbon là graphene. Cấu trúc: mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành các lưới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên. II.2. Graphit hay than chì
n ơ vòng 6 thành viên kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác, tạo thành các lưới 2 chiều của các h N ở dạng phẳng; các tấm phẳng này liên kết lỏng lẻo với nhau. y u II.3. Cacbon vô định hình (chất dạng thủy tinh). Q m Cấu trúc: các nguyên tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và è Kcacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể giống như thủy tinh. Trong dạng vô định hình, y ạ D ng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm của graphit nhưng /+ ở dạng bột và là thành phần chính cm ủa than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính. o c II.4. So sánh cấu trúc của Cacbon . e Do có khả nănggtựl liên kết với chính nó nên cacbon tạo ra được nhiều dạng cấu o c để trúc khác nhau tồnotại trong tự nhiên, lấy mật độ của 2 đại diện graphit và kim cương G ơn rất nhiều so với so sánh ta thấy rằng mật độ của kim cương 3.5 – 3.53 g/cm lớn hơn Là một trong những chất mềm nhất. Cấu trúc: mỗi nguyên tử được liên kết theo
3
như hình: graphit 2.09 – 2.23 g/cm3, cấu trúc nh Graphit
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Kim c ương
Trang 62
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Giữa kim cương và graphit: •
Kim cương là cứng nhất, nhưng graphit là một trong những vật liệu mềm nhất.
•
Kim cương là chất mài mòn siêu hạng, nhưng graphit là chất bôi trơn rất tốt.
•
Kim cương là chất cách điện tuyệt hảo, nhưng graphit là vật liệu dẫn điện.
•
Kim cương thông thường là trong suốt, nhưng graphit là mờ.
•
Kim cương kết tinh trong hệ lập phương nhưng graphit kết tinh trong hệ lục giác.
Cấu trúc của một số dạng khác:
n ơ h
www.daykemquynhon.ucoz.com
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
g o o
a) diamond; b) graphite; c)lonsdaleite; d–f) fullerenes (C60, C540, C70); g) amorphous
G
carbon; h) carbon nanotube. Phần cấu trúc này chỉ đưa ra để tham khảo thêm về cacbon, vì vậy sẽ không mở rộng ra thêm. Vấn đề ta quan tâm ở đây là điều kiện để cacbon chuyển trạng thái, ranh giới tồn tại các pha khác nhau của cacbon, vì vậy ta sẽ khảo sát vấn đề này thông qua giản đồ pha của cacbon trong phần II.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 63
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học III. Giản đồ pha của Cacbon.
n ơ h
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . Theo giản đồ ta có lethể thấy rằng cacbon tồn tại trong tự nhiên dưới nhiều hình g otất cả đều ở điều kiện khá khắc nghiệt (trừ các hợp chất của nó). thức khác nhau nhưng o Từ giảnG đồ ta thấy điểm 3 của Cacbon có P ≈ 10,8 ± 0,2 MPa và T ≈ 4.600 ± 300 1GPa = 103MPa = 109Pa ≈ 104bar ≈ 104atm)
K. Vậy trong điều kiện áp suất khí quyển cacbon không có điểm nóng chảy. Nhiệt độ thăng hoa của cacbon khoảng 3900 K. Các điểm cần phân tích trên giản đồ: + Có 2 điểm 3 (triple point) trên giản đồ. Một điểm ba bên dưới là điểm mà 3 pha của cacbon rắn (graphit), lỏng và hơi nằm cân bằng với nhau. Điểm ba phía trên thì 3 pha rắn (graphit), rắn (kim cương) và lỏng nằm cân bắng với nhau. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 64
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn phần được vẽ trên giản đồ. (có thể chỉ có than chì và một số dạng kém bền nhất của cacbon) + 3 khu vực siêu bền (metastable): các dạng thù hình của cacbon nằm trong những vùng này sẽ rất bền về cấu trúc. + Phần thay đổi thể tích theo áp suất so với thay đổi thể tích theo nhiệt độ. Trong vùng lỏng thể tích của cacbon sẽ bị ảnh hưởng của nhiệt độ nhiều hơn ảnh hưởng của áp suất, ∆V(p) = -0.1∆V(T) Trong vùng rắn (kim cương) thể tích của cacbon chịu ảnh hưởng của T và P là như nhau.
n ơ Ở áp suất bình thường cacbon có dạng của graphit, trong đó h mỗi nguyên tử liên Ngiống như các vòng kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, y u trong các hiđrôcacbon thơm. Có hai dạng của graphit đã biết, là alpha (lục giác) và beta Q m (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giốngènhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. K tới 30% dạng beta, trong khi graphit y Các loại graphit có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa ạ D tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha +có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý / cơ học và dạng beta chuyển ngượcm thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000 °C. o ccủa các đám mây pi, graphit có tính dẫn điện. Vật liệu vì Vì sự phi tập trung hóa . e l thế là mềm và các lớp,gthường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, được giữ cùng o nhau chỉ bằng các o lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trên nhau. G + Tại các khu vực trên giản đồ thì ứng với các dạng nào của cacbon.
Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử cacbon tạo thành thù hình gọi là kim cương,
trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết cacbon-cacbon, cùng với chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài mòn. Sự chuyển hóa thành graphit ở nhiệt độ phòng là rất chậm và không thể nhận thấy. Dưới các điều kiện khác, cacbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như kim cương nhưng có cấu trúc lục giác. Các fulleren có cấu trúc giống như graphit, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử cacbon, nó uốn cong các lớp thành các CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 65
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được phân tích đầy đủ. Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các "buckyball". IV. Ứng dụng của Cacbon Cacbon được xem là thành phần thiết yếu cho mọi sự sống đã biết, và không có nó thì sự sống mà chúng ta đã biết không thể tồn tại. Các hợp chất của cacbon có ý nghĩa về mặt kinh tế là các hiđrôcacbon, các nhiên liệu hóa thạch như than, khí mêtan và dầu mỏ (xăng dầu, …). Dầu mỏ được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra vô số các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu của con người, thông qua các quy trình chưng
n ơ khác, rất nhiều trong số chúng gọi chung là các chất dẻo (plastic), mà chất dẻo thì lại là h N... một lĩnh vực cũng cực kì quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, y u Đồng vị Cacbon-14 được phát hiện vào ngày 27 Q tháng 2 năm 1940 và được sử dụng trong xác định niên đại bằng phóng xạ. èm K y Một số các thiết bị phát hiện sử dụng một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ của cacbon ạ D làm nguồn bức xạ ion hóa (Phần lớn các thiết bị như thế sử dụng đồng vị + / của Americi). m o csét để tạo ra 'chì' sử dụng trong các loại bút chì. Graphit kết hợp với đất . e l Kim cương đượcgsử dụng vào mục đích trang sức hay trong các mũi khoan và các ođòi hỏi độ cứng cao của nó. o ứng dụng khác G cất trong lọc dầu. Dầu mỏ cũng là nguồn nguyên liệu cho nhiều chất hữu cơ tổng hợp
•
•
•
•
•
Cacbon được thêm vào quặng sắt để sản xuất gang và thép.
•
Cacbon dưới dạng than chì được sử dụng như là các thanh điều tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân.
•
Graphit cacbon trong dạng bột, bánh được sử dụng như là than để đun nấu, bột màu trong mỹ thuật và các sử dụng khác.
•
Than hoạt tính được sử dụng trong y tế trong dạng bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở. Các thuộc tính hóa học và cấu trúc của các fulleren, trong dạng các cacbon ống
nano, có ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực mới phát sinh của công nghệ nano. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 66
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Người ta đã làm nhiều nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế giúp ích cho nhân loại rất nhiều từ khi lập ra giản đồ pha của cacbon (kiểm soát các qui trình tổng hợp hữu cơ hóa dầu, nhiên liệu, chất dẻo, … hầu hết đều có sự tham gia của cacbon). Tuy nhiên, ta sẽ tìm hiểu một ý nghĩa thú vị của giản đồ pha đó là việc người ta nghiên cứu tìm cách làm sao để có thể làm ra thật nhiều kim cương. Quá trình tổng hợp kim cương: Những viên kim cương tổng hợp đầu tiên đã được sản xuất vào đầu thập niên 1950 tại Phòng thí nghiệm Allmana Svenska Elektriska tại Stockholm (Thụy Điển). Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm này đã không công bố ngay kết quả công trình của mình.
n ơ Electric đã công bố trong tạp chí Nature về việc họ đã tổng hợp thành công kim cương. h Ntương đương những Cả hai nhóm nghiên cứu trên đều sử dụng nhiệt độ và áp suấty cao u điều kiện mà người ta cho là cần thiết để tạo thành kim cương trong tự nhiên. Q msuất cao (High pressure, high + Tổng hợp kim cương ở nhiệt độ và áp è K y temperature) ạ D Công ty Genesis tại Florida (Mỹ) đang chế tạo kim cương trong các khoang nuôi cấy tinh + / thể với áp suất và nhiệt độ cực cao.m Trong mỗi khoang, một mẩu nhỏ kim cương tự nhiên o được nhúng trong dung dịch.c nóng chảy của grafit và chất xúc tác kim loại thích hợp ở e l nhiệt độ khoảng 1.500 C và áp suất 58.000 atmosphere. Trong những điều kiện đó, g o carbon kết tủa dầno lên tinh thể mầm kim cương và chỉ trong vòng ba ngày rưỡi, người ta G Nhưng một thời gian ngắn sau đó các nhà nghiên cứu của Công ty General
o
thu được một viên kim cương thô 2,8 cara với chất lượng bậc đá quý. Một viên kim cương thô với kích thước như vậy có thể được cắt và mài để thu được một viên kim cương lớn hơn 1,5 cara (tương đương 100 mg kim cương và nhỏ bằng một hạt
thóc). Giống như kim cương màu vàng trong tự nhiên, kim cương nuôi cấy trong phòng thí nghiệm của Genesis cũng có màu vàng do có mặt các vi lượng nitơ (nếu 5 trong số 100 nghìn nguyên tử carbon trong lưới tinh thể kim cương bị thay thế bằng các nguyên tử nitơ thì kim cương sẽ có màu vàng đặc trưng này). Kim cương với những màu được ưa thích như vàng, xanh, hồng, đỏ là những viên kim cương rất hiếm nên giá trị cũng rất cao. Giá kim cương màu vàng của Genesis (hầu CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 67
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học như không thể phân biệt được với kim cương tự nhiên) khoảng 4.000 USD mỗi cara, thấp hơn khoảng 30% so với kim cương tự nhiên có màu sắc và chất lượng tương đương. Trước công ty Genesis, các công ty Sumitomo Electric và De Beers đã thông báo việc tổng hợp các viên kim cương lớn theo các quy trình tương tự. Nhưng hai công ty này chỉ sử dụng kim cương nhân tạo của mình trong các dụng cụ điện tử hoặc cho mục đích nghiên cứu. Còn Genesis sản xuất kim cương dùng cho lĩnh vực trang sức. Do kim cương màu vàng của công ty này hầu như không thể phân biệt được với kim cương tự nhiên nên nhiều chuyên gia trong ngành trang sức lo ngại chúng có thể bị nhầm lẫn với kim cương tự nhiên. Vì vậy, các công ty sản xuất kim cương thường dùng tia laze để viết ký hiệu lên
n ơ thể sử dụng phép phổ ký hồng ngoại và phát quang để phân biệt giữa h kim cương tự nhiên N với kim cương nhân tạo. y u + Tổng hợp kim cương bằng kết lắng hơi Q hóa chất (Chemical Vapor m Deposition). è Kđược điều chỉnh bởi những lượng tạp y Những tính chất tuyệt vời của kim cương ạ D chất nằm trong mạng lưới tinh thể carbon, đó cũng chính là những tạp chất tạo ra màu + / của kim cương tự nhiên. Kim cương với lưới tinh thể carbon hoàn hảo, không có khuyết m o c tật thì sẽ không có màu. Những loại kim cương như vậy là những chất cách điện lý tưởng, . le vì năng lượng cần thiếtg để di chuyển điện tử trong lưới tinh thể của nó rất cao. Nhưng nếu otrong mạng lưới tinh thể này bị thay thế bằng các nguyên tử Bo (tạp o các nguyên tử carbon G chất gây ra màu xanh tuyệt đẹp ở một số loại kim cương hiếm) thì kim cương sẽ trở thành các viên kim cương của mình nhằm mục đích phân biệt sản phẩm. Ngoài ra, người ta có
chất bán dẫn.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 68
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học (Một lò phản ứng đang tổng hợp kim cương bằng phương pháp Kết lắng hơi hóa chất) Nhưng phương pháp tổng hợp ở áp suất và nhiệt độ cao chỉ cho phép kiểm soát việc bổ sung tạp chất một cách hạn chế và kích thước của hạt kim cương cũng bị hạn chế. Do đó, một số công ty đã tổng hợp kim cương bằng phương pháp kết lắng hơi hóa chất ở áp suất thấp (phương pháp CVD). Công ty Apolo Diamond ở Boston (Mỹ) áp dụng phương pháp này để sản xuất các lát kim cương đủ lớn, có thể cắt thành các viên kim cương cỡ vài cara. Nhìn chung, phương pháp CVD cho phép sản xuất kim cương có kích thước lớn hơn và giá thành thấp hơn so với phương pháp áp suất và nhiệt độ cao, đồng thời việc bổ sung tạp chất cũng được kiểm soát tốt hơn.
n ơ h
Vì vậy người ta có thể sản xuất nhiều loại kim cương không màu và có màu, như màu hồng, xanh, nâu, thậm chí cả kim cương màu đen.
N y u
Phương pháp CVD áp suất thấp được Wiliam G. Eversole tại Công ty Union
Q m vì cho rằng do có lẫn grafit nên kim cương sẽ khôngèbền về mặt nhiệt động học. Một số Kở áp suất thấp là sự ngu ngốc hoặc lừa y nhà nghiên cứu cho rằng việc tổng hợp kim cương ạ D đảo, vì nó vi phạm Định luật nhiệt động học thứ hai. Sau đó, Công ty Union Carbide đã + / từ bỏ dự án sản xuất kim cương của mình. Nhưng một nhóm nhỏ các nhà khoa học Mỹ và m onghiên cứu này. Cuối thập niên 1960, giáo sư Angus tại c Nga đã kiên trì theo đuổi hướng . le Đại học Tổng hợp Case Western Reserve (Mỹ) đã chứng minh việc nuôi cấy kim cương g o bằng phương phápoCVD là khả thi. Trong thập niên 1980, các nhà nghiên cứu tại Viện G nghiên cứu vật liệu vô cơ, Nhật Bản, đã hoàn thiện phương pháp này để có thể áp dụng
Carbide công bố lần đầu tiên năm 1952. Nhưng khi đó nhiều người nghi ngờ kết quả này
trên quy mô thương mại với hiệu quả kinh tế. Theo giáo sư Angus, trong những điều kiện tổng hợp theo phương pháp CVD thì yếu tố then chốt đối với việc nuôi cấy kim cương không phải là grafit mà là hydro. Ở bề mặt, mạng lưới tinh thể carbon của kim cương có những liên kết "đu đưa", có khả năng liên kết chéo để sắp xếp lại bề mặt thành grafit bền hơn. Nếu dùng hydro để “bịt“ các liên kết này thì sẽ ngăn cản sự hình thành grafit và tạo ra các điểm hoạt tính bề mặt để gắn các gốc carbon.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 69
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Tại thiết bị kết lắng hơi hóa chất của Công ty Apollo, khí hydro và metan được cho đi qua khoang có chứa tinh thể mầm kim cương (thường là kim cương nhân tạo bằng phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao đã được mài rất bóng). Khí hydro bị tách thành các nguyên tử hydro do tác động của đèn dây tóc nóng hoặc plasma do vi sóng tạo ra. Do đó, hydro nguyên tử sẽ phản ứng với metan để tạo thành gốc metyl và khí hydro. Gốc metyl chứa carbon cuối cùng sẽ kết lắng lên mầm kim cương, tạo thành các liên kết C - C mới của kim cương. + Kim cương đơn tinh thể. Cho đến những năm gần đây, phần lớn kim cương được nuôi cấy bằng phương
n ơ “chắp vá” của các tinh thể kim cương nhỏ (đôi khi cả các tinh thể grafit nhỏ). Do nó giữ h N đa tinh thể cũng có được nhiều tính chất tốt của kim cương đơn tinh thể nên kim cương y u thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Q m Tuy nhiên, do liên kết C - C giữa các tinh thể ènhỏ xíu với nhau trong kim cương K đa tinh thể yếu hơn liên kết C - C trong mạng y tinh thể kim cương đơn tinh thể, nên các ạ D và độ bền của kim cương đa tinh thể không tính chất dẫn nhiệt, trong suốt về quang học + / cao bằng kim cương đơn tinh thể. m Trên thực tế, đối với một số ứng dụng - đặc biệt, nhất ota chỉ có thể sử dụng kim cương đơn tinh thể. Để có thể c là những ứng dụng điện, người . le thay thế silic trong sản g xuất dụng cụ điện tử, người ta cần có kim cương đơn tinh thể chất o lượng cao với kíchothước lớn thích hợp. Phương pháp CVD của Công ty Apollo đã cho G phép tạo ra kim cương đơn tinh thể như vậy, tương tự như kim cương tự nhiên. pháp CVD không phải là đơn tinh thể mà là đa tinh thể. Kim cương đa tinh thể là sự
Năm 2003, Công ty Element Six của Anh đã lần đầu tiên sản xuất được những tấm kim cương vuông với kích thước đường chéo tới 5 mm. Theo Công ty này, trong tương lai họ có khả năng sản xuất được những tấm kim cương với kích thước đường chéo trên 4 inch (khoảng 100 mm).
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 70
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
(Những tấm kim cương đơn tinh thể của công ty Element Six sản xuất sử dụng trong ngành cơ khí và nghiên cứu) Nhờ tính dẫn nhiệt cao và tính lưu động điện tử cao, kim cương bán dẫn đơn tinh thể sẽ là vật liệu thích hợp cho các dụng cụ điện tử công suất cao. Nhiều công ty đã tích cực nghiên cứu tìm cách chế tạo các loại kim cương bán dẫn loại p và loại n. Những vật
n ơ nhiệt độ ngày càng cao hơn, do số transitor lắp trên chúng ngày càng h nhiều. Nếu xu N y cầu về khả năng chịu hướng này tiếp tục diễn ra, vật liệu silic sẽ không thể đáp ứng yêu u Qgiá thành cao nên kim cương nhiệt. Khi đó kim cương sẽ là vật liệu thay thế hoàn hảo. Do m è ứng dụng. Nhưng trong một số nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn silic trong nhiều K ydụ các dụng cụ hoạt động với công suất ứng dụng đặc biệt với những yêu cầu rất cao,ạví Dtạo sẽ là vật liệu không thể thiếu. cao hoặc ở nhiệt độ cao, thì kim cương + nhân / m V. Kết luận o c . Cho đến nay, ngoài những dạng tồn tại trong tự nhiên người ta đã biết và sử dụng e l gchất có chứa cacbon, có thể nói cacbon là một nguyên tố không khoảng gần 10 triệu hợp o thể thiếu trong lịch Gosử phát triển của nhân loại, việc nghiên cứu và phát triển nó luôn là liệu này có triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn: Ngày nay các mạch vi xử lý phải chạy với
vấn đề cần thiết trong mọi thời đại.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 71
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học VI. Mở rộng (đọc thêm).
n ơ h
Fullerene là những phân tử cấu thành từ các nguyên tử cacbon, chúng có dạng rỗng như mặt cầu, ellipsoid, hay ống. Các fullerene hình cầu còn được gọi là quả bóng
N y (buckytube). Fullerene có cấu trúc ttương tự với than chì, là u tổ hợp của lớp than chì độ Q dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) liên kết với nhau m tạo thành vòng lục giác; nhưng è K giác. chúng cũng có thể tạo thành vòng ngũ giác hoặc thất y ạ ương tự cho nhiều Fullerene đầu tiên được khám pháDra, và trở thành tên gọi tương + / fullerene sau này, đó là buckminsterfullerene (C ), do các nhà khoa học Harold m o, Robert Curl và Richard Smalley tại đại học Rice công Kroto, James Heath,Sean O'Brien c . bố năm 1985. Tên gọi này leđể vinh danh Richard Buckminster Fuller, người đã thiết kế g o. Fullerene đã được tìm thấy trong tự nhiên mặc dù rất hiếm. các mái vòm trắc đạc o Sự khám phá G ra fullerene đã trở thành một bước tiến lớn trong sự hiểu biết về thù bucky(buckyballs), và hình trụ tròn rỗng được gọi là ống nanô cácbon hay ống bucky
60
hìnhcacbon, mà trước đóó chỉ giới hạn ở than chì, kim cương, và cacbon vô định hình như muội than và than gỗ. Buckyball và buckytube đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm, cả trong hóa học lẫn các ứng dụng công nghệ, đặc biệt trong khoa học vật liệu, điện tử học và công nghệệ nano.
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 72
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tố cacbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó
n ơ nm. Graphen là Chiều dài liên kết cácbon-cácbon trong graphen khoảng 0,142 h Nthan chì, ống nanô phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm y u ng có thể xét một phân tử thơm lớnQ tr ờng hợp cácbon và fulleren. Cũng vô hạn, mà trong trư m là graphen. Hai nhà khoa học Andrei giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi è K y Geim vàKonstantin Sergeevich Novoselov khám phá ra graphen đã được trao Giải Nobel ạ D Vật lýnăm 2010. + / m o c . le g o o G được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene").
[1]
Lonsdaleit (được đặt theo tên Kathleen Lonsdale), hay còn gọi là kim cương sáu phương khi xét về cấu trúc tinh thể, là một dạng thù hình của cacbon với ô mạng sáu phương. Trong tự nhiên, nó hình thành khi các thiên thạch chứa than chì va vào Trái Đất.
c Lượng nhiệt và áp suất lớn của vụ va chạm đã biến đổi than chì thành kim cương, nhưng cấu trúc ô mạng tinh thể sáu phương của than chì vẫn được bảo tồn. Lonsdaleit CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 73
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học
năm 1967 trong thiên thạch Canyon Diablo, thiên thạch này được nhận dạng lần đầu tiên nă xuất hiện các tinh thể rất rất nhỏ có liên quan đến kim cương.[4][5]
Kim cương sáu phương ương cũng có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm (1966 hoặc sớm hơn; được công bố năm 1967)[6] bằng cách nén ép và nung than chì hoặc trong
phương pháp nổ.[7] Nó cũng có thể được tạo ra bằng tích tụ áp suất tĩnh điện hoặc sử dụng ph hơi hóa học,[8][9][10] và cũng bằng phương pháp phân giải nhiệt polymer, poly(hydridocarbyne), ở áp suất khí quyển, dưới áp suất argon, với nhiệt độ 110 °C (230 °F).
n ơ h
N y u
D + m/
Q m è K ạy
Các ống nano cacbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình
o c . trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trong cuộn tròn lại thành một hình e l các cấu trúc nano màoởgđó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000. Các phân o ăng hữu dụng cao tửcacbon hình G trụ đó có các tính chất thú vị làm cho chúng có khả năng của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một-nguyên-tử
trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số
áng kinh ngạc và các tính ngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng chấtđiện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Các ống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp. Ống nano là một loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cả buckyball. Trong khi buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lại có dạng hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball. Tên của chúng được đặt theo hình dạng của chúng, do đường kính của ống nano vào cỡ một vài nanomet (xấp xỉ nhỏ hơn 50.000 lần một sợi tóc), trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet. Các nhà nghiên cứu ở CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 74
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học đại học Cincinnati (UC) đã phát triển một quá trình để xây mạng thẳng hàng các ống nano cacbon cực dài. Họ đã có thể sản xuất các ống nano cacbon dài 18mm [1] và có thể xoắn lại thành các sợi nano cacbon. Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT). Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự với than chì. Cấu trúc liên kết này, mạnh hơn các liên kết sp3 ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các ống nano thông thường tự sắp xếp thành các "sợi dây thừng" được giữ với nhau bởi lực Van der Waals.
n ơ thông qua liên kết kết sp , tạo ra khả năng sản ra các sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn h N ống nano áp suất cao. y u Một số thông tin quan trọng khác: Q m è Một số thông tin cần biết về Cacbon K y ạ D Hình dạng + / m Có hai màu tùy vào cấu trúcophân tử là trong suốt (kim cương) và đen (than chì) c . e l g o o G Dưới áp suất cao, các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liên 3
Quang phổ vạch của Cacbon Tính chất chung
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 75
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Tên, Ký hiệu, Số
Cacbon, C, 6
Phiên âm
/ˈkɑrbən/
Phân loại
Phi kim
Nhóm, Chu kỳ,Phân lớp
14, 2, p
Khối lượng nguyên tử
12,0107(8)
Cấu hình electron
1s2 2s2 2p2 or [He] 2s2 2p2
Số electron trên vỏ điện tử
2,4
n ơ h
N y u
Q m è K ạy
Tính chất vật lý
DTrong suốt hoặc đen + m/
Màu Trạng thái vật chất
gle
.co
Chất rắn
Mật độ gần nhiệt độ phòng
Vô định hình:[1] 1.8–2.1 g·cm−3
Mật độ gần nhiệt độ phòng
Than chì: 2,267 g·cm−3
Điểm thăng hoa
6588 °F 3642 °C, 3915 K,
Điểm ba trạng thái
4600 K (4327°C), 10800[2][3] kPa
Nhiệt lượng nóng chảy
117 (than chì) kJ·mol−1
Nhiệt dung
8,517(than
o o G
chì),
6,155(kim cương) J·mol−1·K−1 Tính chất nguyên tử
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 76
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Trạng thái ôxi hóa
4, 3 [4], 2, 1 [5], 0, -1, -2, -3, -4[6]
Độ âm điện
2,55 (thang Pauling)
Năng lượng ion hóa
Thứ
nhất:
1086,5
kJ·mol−1
Thứ
hai:
2352,6
kJ·mol−1
Thứ ba: 4620,5 kJ·mol−1 Độ dài liên kết cộng hóa trị
77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
Bán kính van der Waals
170 pm
n ơ h
Thông tin khác Nghịch từ
Trạng thái trật tự từ
N y u
Q m 900-2300 (kim cương) W·m ·K è K y 0,8 (kim cương) µm·m ·K Dạ 119-165 (than chì)
Độ dẫn nhiệt
−1
Độ giãn nở nhiệt (25 °C)
+ / m
[8]
−1
−1
−1
Tốc độ truyền âm thanh (thanh mỏng 18350 (kim cương) m·s−1
o c . le
; 20 °C) Mô đun Young Mô đun cắt
og
Go
1050 (kim cương) [8] GPa 478 (kim cương) [8] GPa
Mô đun nén
442 (kim cương) [8] GPa
Hệ số Poisson
0,1 (kim cương) [8]
Độ cứng theo thang Mohs
1-2
(than
chì)
10 (kim cương) Số đăng ký CAS
7440-44-0
Đồng vị ổn định nhất CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 77
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Bài chính: Đồng vị của Cacbon Chu
iso NA
kỳ
bán rã
DP
DM DE (MeV)
12
C 98.9%
12
C ổn định với 6 nơtron
13
C 1.1%
13
C ổn định với 7 nơtron
14
C Tổng hợp 5730 năm β-
15
14
0.156
N
n ơ h
Các nhà nghiên cứu làm sáng tỏ tính chất vật lý của khí carbon ở điều kiện khắc nghiệt
N y u
D + m/
Q m è K ạy
o c . le
g o o
Mô phỏng đồ họa của hàm sóng điện tử (MLWF) trong carbon lỏng ở nhiệt độ
G
9.000 ° Kelvin và năm triệu bầu khí quyển của áp lực, cho thấy một liên kết cộng hóa trị dai dẳng ngay cả dưới những điều kiện khắc nghiệt. Ở áp suất này kim cương tan chảy ở khoảng 8.000 ° K. Một nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Livermore đã sáng tỏ một số biểu đồ pha của cacbon ở áp suất cao và nhiệt độ. Đặc biệt, các tác giả xác định ranh giới pha rắn / lỏng và rắn / vững chắc cho áp suất lên tới 20 triệu bầu khí quyển và hơn 10.000 độ Kelvin. Các mô phỏng cung cấp kết quả trên các tính chất vật lý của cacbon, có tầm quan trọng rất lớn cho việc xây dựng mô hình của Hải vương tinh, Thiên vương tinh và ngôi sao lùn trắng, cũng như các hành tinh ngoài hệ mặt trời mà giàu carbon. CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 78
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học Dạng nguyên tố của nó, cacbon được tìm thấy trong than đá, than chì, kim cương, quả bóng Bucky và ống nano. Đây là những vật liệu có tính rất khác nhau, nhưng ở mức độ nhỏ chỉ khác nhau bởi sự sắp xếp hình học của các nguyên tử carbon. Cacbon nguyên tố đã được biết đến từ thời tiền sử, và một trong những hình thức nổi tiếng nhất là kim cương, được cho là đã được khai thác đầu tiên ở Ấn Độ hơn 2000 năm trước. Các đặc tính của kim cương và ứng dụng thực tế về công nghệ của nó đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều thế kỷ. Mặc dù có nhiều cuộc điều tra qua nhiều thế kỷ, và những nghiên cứu thực nghiệm quan trọng trong thập kỷ qua nhằm tìm hiểu nén kim cương, ranh giới giai đoạn và tính
n ơ khắc nghiệt. Dữ liệu thực nghiệm đang khan hiếm vì những khó khănhtrong việc tiếp cận Nphòng thí nghiệm. megabar (1 triệu atmosphere) áp lực và hàng ngàn độ Kelvin trong y u Nhóm nghiên cứu gồm Alfredo Correa, Stanimir Bonev và Giulia Galli làm việc Q m tại Phòng thí nghiệm Lawrence Livermore. Galli hiện là giáo sư tại UC Davis và Bonev è K y là một trợ lý giáo sư tại Đại học Dalhousie, Canada. ạ "Kết quả của chúng tôi cho thấy một môDtả phù hợp của nguyên tố cacbon trong một + / phạm vi rộng của nhiệt độ và áp lực” m o c phát hiện ra rằng điểm ba diamond/BC8/liquid (nhiệt độ Các nhà nghiên cứu cũng . e l ba giai đoạn cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng nhiệt động và áp suất mà tại đó những g o lực học) là ở nhiệtođộ thấp hơn so với suy nghĩ trước đây (BC8 biểu thị một pha rắn của G carbon kim cương biến thành trên 12 Mbar, ở nhiệt độ không ). Các điều kiện mà tại đó chất nóng chảy của cacbon, tính chất điện tử của nó không được hiểu rõ vì điều kiện khá
điểm ba được tìm thấy gần với ước tính gần đây của các điều kiện cốt lõi (nhiệt độ và áp suất) trong Sao Hải Vương và Thiên Vương tinh. "Kết quả mô phỏng của chúng tôi gợi ra một phiên bản một phần của mô hình hành tinh hiện nay, đặc biệt là các mô tả về khu vực cốt lõi của chúng," Correa nói. "Công việc tính toán của chúng tôi cũng có thể giúp chúng tôi giải thích công việc thử nghiệm trong tương lai." Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 79
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định
www.daykemquynhon.ucoz.com
Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn
Tiểu luận Nhiệt động Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Kim A Sharp, Water: Structure and Properties. Encyclopedia of life sciences 2001, John Wiley & Sons, Ltd. [2] Thakur K. Praveen1 and A. Velumurgan, Phase properties and type of Earth’s water ice and space ices, Science of Solar System Ices (2008) [3] Yoshiori Furucawa and John S Wettlaufer, Snows and Ice Crystals, Physic Today, American Institute of Physic S-0031, 9228 -0712-3504. [4] T.Makita, Application of high pressure and thermophysical properties of water to biotechnology, Fluid Phase Equilibria, 76 (1992) 87-95, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam. [5]M. M. Conde, C. Vega, G. A. Tribello, and B. Slate, The phase diagram of water at
n ơ negative pressure: Virtual ice, The Journal of Chemical Physic 131-034510 (2009). h NPredicted at Megabar [6] Burkhard Militzer, and Hugh F. Wilson, New Phases of Water y Ice u Pressures. Q m [7] Jung-Fu Lin, Eric Schwegler, and Choong-Shik Yoo, Phase Diagram and Physical è K Applications to Planetary Interiors Properties of H2O at High Pressures and Temperatures: y ạ Geophysical Union (2006). Geophysical Monograph Series 168, the American D + / [8] http://www.lsbu.ac.uk/water/ m o c . e l g o o G
CBHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Hạnh
Trang 80
Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định