Biểu đồ pha (Phase diagrams)

Các thành phần chính của biểu đồ pha bao gồm:

• Trục: Thường là nhiệt độ (T) theo trục hoành và áp suất (P) theo trục tung. Cũng có thể sử dụng các biến khác như thể tích (V), nồng độ,…
• Vùng: Mỗi vùng trên biểu đồ đại diện cho một pha ổn định của chất. Ví dụ, vùng rắn, vùng lỏng và vùng khí.
• Đường ranh giới pha: Các đường phân cách giữa các vùng biểu diễn các điều kiện mà tại đó hai pha cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng. Ví dụ:
  • Đường nóng chảy (hay đường đông đặc): Phân cách vùng rắn và vùng lỏng. Dọc theo đường này, pha rắn và lỏng tồn tại cân bằng với nhau.
  • Đường hóa hơi (hay đường ngưng tụ): Phân cách vùng lỏng và vùng khí. Dọc theo đường này, pha lỏng và khí tồn tại cân bằng với nhau.
  • Đường thăng hoa (hay đường ngưng đọng): Phân cách vùng rắn và vùng khí. Dọc theo đường này, pha rắn và khí tồn tại cân bằng với nhau.
• Điểm ba (Triple Point): Là điểm mà cả ba pha (rắn, lỏng, khí) cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
• Điểm tới hạn (Critical Point): Là điểm kết thúc của đường hóa hơi/ngưng tụ. Tại điểm này và ở nhiệt độ/áp suất cao hơn, không thể phân biệt giữa pha lỏng và pha khí. Chất ở trạng thái này được gọi là chất lỏng siêu tới hạn.

Thông tin thu được từ biểu đồ pha

Biểu đồ pha cung cấp nhiều thông tin quan trọng về chất hoặc hệ chất, bao gồm:

• Xác định pha ổn định: Biểu đồ pha cho phép xác định pha của chất ở một nhiệt độ và áp suất nhất định. Chỉ cần xác định điểm tương ứng với nhiệt độ và áp suất đó trên biểu đồ, ta có thể biết chất đang ở pha nào (rắn, lỏng, khí hoặc siêu tới hạn).
• Dự đoán sự chuyển pha: Biểu đồ pha cho biết sự chuyển pha xảy ra khi thay đổi nhiệt độ và áp suất. Khi di chuyển điểm biểu diễn trạng thái của hệ trên biểu đồ, ta có thể thấy hệ chuyển từ pha này sang pha khác khi vượt qua các đường ranh giới pha.
• Xác định điểm nóng chảy, điểm sôi: Đọc giá trị nhiệt độ và áp suất tại đường ranh giới pha tương ứng (đường nóng chảy cho điểm nóng chảy, đường hóa hơi cho điểm sôi).
• Hiểu về tính chất của chất: Biểu đồ pha phản ánh tính chất nhiệt động lực học của chất, bao gồm cả những tính chất bất thường như trường hợp nước đá nổi trên nước.

Ví dụ về biểu đồ pha của nước (H₂O)

(Hình minh họa không thể hiện ở đây. Hãy tìm kiếm trên internet với từ khóa “phase diagram of water”)

Trong biểu đồ pha của nước, ta thấy:

• Điểm ba nằm ở khoảng 0.01°C và 611.73 Pa. Tại điểm này, nước tồn tại ở cả ba pha: rắn, lỏng và khí.
• Điểm tới hạn nằm ở khoảng 374°C và 22.064 MPa. Trên điểm này, không còn sự phân biệt giữa pha lỏng và pha khí.
• Độ dốc của đường nóng chảy/đông đặc âm, điều này khác thường so với hầu hết các chất. Điều này giải thích tại sao băng nổi trên nước. Do độ dốc âm, khi tăng áp suất lên băng ở 0°C, băng sẽ chuyển sang pha lỏng (nước).

Quy tắc pha Gibbs

Quy tắc pha Gibbs liên hệ số lượng pha, số lượng thành phần và số bậc tự do của một hệ tại cân bằng:

$F = C – P + 2$

Trong đó:

• F: Số bậc tự do (số biến có thể thay đổi độc lập mà không làm thay đổi số pha)
• C: Số thành phần
• P: Số pha

Ứng dụng của biểu đồ pha

Biểu đồ pha được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:

• Khoa học vật liệu: Thiết kế và sản xuất các vật liệu mới với các tính chất mong muốn.
• Hóa học: Nghiên cứu các phản ứng hóa học và sự cân bằng pha.
• Địa chất: Nghiên cứu sự hình thành và biến đổi của khoáng vật.
• Kỹ thuật: Thiết kế và vận hành các quá trình công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực luyện kim, chế biến vật liệu và hóa dầu.

Các loại biểu đồ pha

Ngoài biểu đồ pha áp suất-nhiệt độ (P-T) thường gặp, còn có các loại biểu đồ pha khác như:

• Biểu đồ pha nhiệt độ-thành phần (T-x): Thường được sử dụng cho hệ nhiều chất, biểu diễn sự biến đổi pha theo nhiệt độ và thành phần của một chất cụ thể. Trục hoành biểu diễn thành phần (thường là phần mol hoặc phần khối lượng), trục tung biểu diễn nhiệt độ.
• Biểu đồ pha áp suất-thành phần (P-x): Tương tự như biểu đồ T-x, nhưng trục tung biểu diễn áp suất.
• Biểu đồ pha ba chiều (P-T-x): Biểu diễn sự phụ thuộc của pha vào cả ba biến áp suất, nhiệt độ và thành phần. Đây là biểu đồ phức tạp hơn nhưng cung cấp thông tin đầy đủ nhất.

Phân tích biểu đồ pha

Việc phân tích biểu đồ pha cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về hành vi của chất hoặc hệ chất. Một số kỹ thuật phân tích thường được sử dụng bao gồm:

• Quy tắc đòn bẩy: Được sử dụng để xác định tỉ lệ của các pha ở trạng thái cân bằng trên đường ranh giới pha. Nếu một điểm nằm trên đường ranh giới pha giữa hai pha α và β, tỉ lệ phần mol (hoặc khối lượng) của hai pha được tính bằng:
  $n_\alpha / n_\beta = l_\beta / l_\alpha$
  trong đó $n_\alpha$ và $n_\beta$ là số mol của pha α và β, $l_\alpha$ và $l_\beta$ là khoảng cách từ điểm đang xét đến đường ranh giới của pha β và α tương ứng.
• Đường làm lạnh: Biểu diễn quá trình làm lạnh của một chất hoặc hỗn hợp. Bằng cách vẽ đường làm lạnh trên biểu đồ pha, ta có thể dự đoán sự thay đổi pha và thành phần của các pha theo nhiệt độ.

Hạn chế của biểu đồ pha

• Cân bằng nhiệt động lực học: Biểu đồ pha chỉ thể hiện trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Trong thực tế, quá trình chuyển pha có thể xảy ra không cân bằng, dẫn đến sự sai khác so với dự đoán của biểu đồ pha.
• Kích thước hạt: Biểu đồ pha thường được xây dựng cho vật liệu khối. Kích thước hạt có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha, đặc biệt là đối với các hạt nano.
• Tạp chất: Sự hiện diện của tạp chất có thể làm thay đổi đáng kể biểu đồ pha.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
• Porter, D. A., Easterling, K. E., & Sherif, M. Y. (2009). Phase Transformations in Metals and Alloys. CRC press.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao độ dốc của đường nóng chảy/đông đặc trên biểu đồ pha của nước lại âm, trong khi hầu hết các chất khác lại có độ dốc dương?

Trả lời: Độ dốc âm của đường nóng chảy/đông đặc của nước là do băng có mật độ nhỏ hơn nước lỏng. Khi áp suất tăng, thể tích của băng giảm nhiều hơn so với nước lỏng, khiến băng trở nên kém bền hơn và dễ nóng chảy hơn. Hầu hết các chất khác nở ra khi nóng chảy, dẫn đến độ dốc dương.

Làm thế nào để sử dụng quy tắc đòn bẩy để xác định thành phần của các pha trong vùng hai pha trên biểu đồ pha?

Trả lời: Quy tắc đòn bẩy được áp dụng trên đường ranh giới pha. Giả sử điểm M nằm trên đường ranh giới giữa pha α và β. Tỷ lệ phần mol (hoặc khối lượng) của hai pha được tính bằng: $n_α / n_β = l_β / l_α$, trong đó $l_α$ là khoảng cách từ M đến đường ranh giới của pha β, và $l_β$ là khoảng cách từ M đến đường ranh giới của pha α. Tổng chiều dài $l_α + l_β$ chính là chiều dài đoạn thẳng nằm trên đường ranh giới pha mà điểm M nằm trong đó.

Điểm tới hạn trên biểu đồ pha có ý nghĩa gì? Điều gì xảy ra với chất ở trên điểm tới hạn?

Trả lời: Điểm tới hạn là điểm kết thúc của đường hóa hơi/ngưng tụ. Tại điểm này, pha lỏng và pha khí trở nên không thể phân biệt được. Ở trên điểm tới hạn, chất tồn tại ở trạng thái được gọi là chất lỏng siêu tới hạn, có tính chất trung gian giữa chất lỏng và chất khí.

Ngoài nhiệt độ và áp suất, còn biến nào khác có thể được sử dụng để xây dựng biểu đồ pha? Cho ví dụ.

Trả lời: Ngoài nhiệt độ và áp suất, các biến khác như thể tích, nồng độ, từ trường, và điện trường cũng có thể được sử dụng để xây dựng biểu đồ pha. Ví dụ, biểu đồ pha nhiệt độ-thành phần (T-x) biểu diễn sự biến đổi pha theo nhiệt độ và thành phần của một chất trong hỗn hợp.

Hạn chế của biểu đồ pha là gì và làm thế nào để khắc phục những hạn chế này?

Trả lời: Một số hạn chế của biểu đồ pha bao gồm: chỉ thể hiện trạng thái cân bằng, không tính đến kích thước hạt và ảnh hưởng của tạp chất. Để khắc phục, cần thực hiện các thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của các yếu tố này đến quá trình chuyển pha và bổ sung thông tin vào biểu đồ pha. Ví dụ, có thể xây dựng các biểu đồ pha riêng biệt cho các kích thước hạt khác nhau. Ngoài ra, cần kết hợp các phương pháp phân tích khác như kính hiển vi điện tử để quan sát cấu trúc vi mô của vật liệu.