Đề tài Cấu trúc và tính chất của nước đá

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA TP.HCM NGAØNH COÂNG NGHEÄ HOÙA THÖÏC PHAÅM &&& GVCN: Toân Nöõ Minh Nguyeät Hoï vaøTeân: T Phaïm Thò Phöông Thaûo_60402378 T Nguyeãn Thò Thanh Nga_60401621 CAÁU TRUÙC VAØ TÍNH CHAÁT CUÛA NÖÔÙC ÑAÙ T T T I. CAÁU TAÏO PHAÂN TÖÛ NÖÔÙC. 1.DAÏNG ÑÔN PHAÂN. 2.DAÏNG LIEÂN HÔÏP. 3.TRAÏNG THAÙI TOÀN TAÏI CUÛA NÖÔÙC. II. CAÁU TAÏO PHAÂN TÖÛ NÖÔÙC ÑAÙ. III. TÍNH CHAÁT VAÄT LYÙ CUÛA NÖÔÙC ÑAÙ. IV. ÑAËC ÑIEÅM CUÛA NÖÔÙC ÑAÙ: 1.ÑAËC TÍNH. 2.CHEÁ TAÏO ÑAÙ. V.PHAÂN LOAÏI. I. CAÁU TAÏO PHAÂN TÖÛ NÖÔÙC: 1-DAÏNG ÑÔN PHAÂN: Nöôùc coù coâng thöùc phaân tö ûlaø H20 (M=18) ,nguyeân töû Oxy vaø 2 nguyeân töû Hydro taïo thaønh 1 tam giaùc caân coù ñænh laø O. Saùu ñieän töû linh ñoäng cuûa oxy trong phaân töû nöôùc taïo thaønh boán ñaùm maây ñieän töû sp³ höôùng veà boán ñænh cuûa 1 töù dieän .Hai trong boán ñaùm maây ñieän töû ñoù xen laãn vôùi ñaùm maây ñieän töû cuûa 2 nguyeân töû taïo thaønh lieân keát ñoàng hoaù trò O-H vôùi goùc ñænh H-O-H laø 104,5º ,khoaûng caùch lieân keát O-H laø 0,96Aº trong khi 2 ñaùm maây coøn laïi chöùa 2 ñieän töû chöa caëp ñoâi .Do ñoä aâm ñieän cao cuûa oxy neân lieân keát ñoàng hoaù trò O-H coù 1 phaàn tính chaát cuûa ion. Lieân keát hydro laø lieân keát yeáu nhöng söï toàn taïi vôùi soá löôïng lôùn cuûa lieân keát hydro ñaõ laøm cho noù coù vai troø quan troïng trong caùc quaù trình cheá bieán vaø baûo quaûn thöïc phaåm. Naêng löôïng caét ñöùt lieân keát hydro laø 25Kj/mol.Lieân keát hydro laø lieân keát cuûa 2 phaân töû baát kì qua nguyeân töû H. Moãi phaân töû nöôùc vaø caùc chaát khaùc phaàn lôùn laø do nhöõng ñieåm ñaëc bieät trong caáu taïo cuûa noù. Moät trong nhöõng ñieåm khaùc bieät ñoù laø söï toàn taïi cuûa traïng thaùi lieân hôïp giöõa caùc phaân töû nöôùc. Coâng thöùc chung cuûa 1 lieân hôïp nöôùc laø [H2O]n ,vôùi n=1,2,3,4,… 2- LIEÂN HÔÏP NÖÔÙC Ñöôïc taïo thaønh do lieân keát hydro giöõa caùc phaân töû nöôùc, soá löôïng caùc phaân töû nöôùc tham gia vaøo lieân hôïp nöôùc raát khaùc nhau.Quùa trình taïo lieân hôïp nöôùc ñöôïc goïi laø quaù trình hydrat hoaù nöôùc, ngöôïc laïi, quaù trình phaân ly lieân hôïp nöôùc thaønh caùc phaân töû nöôùc ñôn phaân ñöôïc goïi laø quaù trình dehydrat hoaù nöôùc. Hai quaù trình naøy luoân xaûy ra ñoàng thôøi vaø tuyø thuoäc traïng thaùi cuûa nöôùc maø luùc naøy hay luùc khaùc moät trong hai quaù trình seõ chieáâm öu theá . n H2O↔ [H2 O]n Nhö treân ñaõ trình baøy, do caáu taïo coù 4 vò trí coù theå cho hay nhaän ñieän töû ñeå taïo lieân keát hydro maø 1 phaân töû nöôùc coù theå gaén vôùi toái ña 4 phaân töû nöôùc khaùc taïo neân caáu truùc töù dieän ,phaân töû ñoù ôû taïi taâm vaø 4 phaân töû coøn laïi taïo thaønh boán ñænh .Neáu soá phaân töû nöôùc taêng leân nöõa ,thì caáu truùc cuûa 1 lieân hôïp nöôùc seõ laø 1 maïng khoâng gian 3 chieàu taïo thaønh töø caùc lieân keát hydro. 3- TRAÏNG THAÙI TOÀN TAÏI CUÛA NÖÔÙC: Cuõng nhö caùc hôïp chaát hoaù hoïc khaùc ,nöôùc trong töï nhieân toàn taïi ôû caû 3 daïng :raén ,loûng vaø hôi.Nöôùc ôû traïng thaùi loûng trong khoaûng nhieät ñoä töø 0ºC ñeán 100ºC .ÔÛ traïbg thaùi naøy ,caû 2 quaù trình hydrat hoaù vaø dehydrat hoaù nöôùc cuøng dieãn ra ñoàng thôøi.Nhieät ñoä caøng thaáp ,nhieät naêng cung caáp ít. Phaân töû chuyeån ñoäng chaäm neân möùc ñoä hydrat hoaù caøng cao. Khi nhieät ñoä haï thaáp daàn ,dao ñoäng nhieät cuûa caùc phaân töû nöôùc cuõng giaûm daàn, taïo ñieàu kieän cho quaù trinh hydrat hoaù nöôùc saûy ra, lieân hôïp nöôùc caøng lôùn. Taïi ñieåm ñoâng ñaëc (0ºC) nöôùc ñoâng ñaëc laïi ,chuyeån sang traïng thaùi raén goïi laø nöôùc ñaù. Luùc naøy ,dao ñoâng nhieät giaûm toái ña neân möùc ñoä hydrat hoaù cuõng ñaït ñeán toái ña.Moãi phaân töû nöôùc ñeàu lieân keát vôùi 4 phaân töû nöôùc khaùc taïo neân caáu truùc tinh theå ñaëc bieät cuûa nöôùc ñaù:töù dieän ñeàu vaø caáu truùc roãng. Thöïc nghieäm cho thaáy ôû 0ºC thì chæ coù khoaûng 50% toång soá phaân töû nöôùc tham gia lieân hôïp nöôùc, ôû -183ºCtaát caû caùc phaân töû nöôùc ñeàu tham gia lieân hôïp nöôùc. I.CAÁU TAÏO PHAÂN TÖÛ NÖÔÙC ÑAÙ: Trong nöôùc ñaù, toaøn boä caùc lieân keát ñeàu laø maïch cöïc ñaïi vaø do ñoù caùc phaân töû ñeàu phaân boá trong 1 caáu truùc maïng löôùi chuaån. Söï saép xeáp ngaãu nhieân caùc phaân töû H2O töï do trong nöôùc loûng laøm cho chuùng xeáp gaàn nhau hôn so vôùi trong caáu truùc maïng. Do ñoù nöôùc ñaù coù caáu truùc thöa hôn vaø noù noåi treân maët nöôùc loûng.Hay tæ troïng cuûa nöôùc ñaù nhoû hôn cuûa nöôùc - Tæ troïng cuûa nöôùc loûng ôû 0ºC : 0,9998 g/ml -Tæ troïng cuûa nöôùc ñaù ôû 0ºC : 0,9168 g/ml Hình 1: Caáu truùc nöôùc ñaù II.TÍNH CHAÁT VAÄT LYÙ CUÛA NÖÔÙC ÑAÙ - ÔÛ aùp suaát thöôøng,nöôùc coù tæ troïng lôùn nhaát ôû 4°C .Trong quaù trình haï nhieät ñoä töø 4°C "0°C tæ troïng giaûm töø 1000 " 999,9kg/m³ vaø khi bieán thaønh nöôùc ñaù tæ troïng tieáp tuïc giaûm tôùi 916,8 kg/m³ .Tæ troïng nöôùc ñaù fñ coù quan heä vôùi nhieät ñoä nhö sau: fñ = 917(1-0,00015t). ñeå caân baèng heä 2 pha nöôùc_ñaù, aùp suaát P lieân quan vôùi nhieät ñoä noùng chaûy cuûa ñaù theo phöông trình Klapeuron-Kleuzysac: = dp r dr T(vl-vñ) Trong ñoù: r: aån nhieät ñoùng baêng R= 334KJ/Kg Khi nhieät ñoä haï 1°C thí v taêng 2,12KJ/Kg vl,vñ: theå tích rieâng cuûa pha loûng vaø pha ñaù(raén) Bôûi vì vl,vñ neân dp/dt " Khi taêng aùp suaát thì nhieät ñoä noùng chaûy giaûm _Tæ nhieät cuûa nöôùc ñaù: Cñ= 2,12KJ/(Kg.K) Heä soá daãn nhieät: λñ=2,22w/m.K coù quan heä vôùi nhieät ñoâ nhö sau: Cñ≈ 2,12+0,00779t λñ≈ 2,22(1-0,0015t) _Moät soá ñaëc tröng cuûa nöôùc ñaù : 0ºC -20ºC Tyû troïng [g/ml] 0,9168 0,9193 Aùp suaát hôi [kPa] 0,6113 0,103 Nhieät dung rieâng [J/g ñoä K] 2,1009 1,9544 Ñoä daãn nhieät [W/m.ñoä K] 2,240 2,433 Nhieät khueách taùn[m²/s] 11,7.10‾ 7 11,8.10‾7 Haèng soá ñieän moâi -90 -98 Hình veõ: Caáu truùc cuûa ñaù taïi aùp suaát vaø nhieät doä khaùc nhau -Aùp suaát döôùi 2,7 atm thì ñaù trong suoát nhö pha leâ vaø goïi laø ñaù I ,nhöng treân 2,7atm thì treân sô ñoà coù ít nhaát 13 loaïi tinh theå khaùc nhau (ñöôïc kí hieäu töø soá II ñeán XIV) .Ñaù I toàn taïi ôû 2 daïng tinh theå :ñaù 6 caïnh vaø ñaù laäp phöông .Ñaù laâp phöông ñöôïc taïo thaønh bôûi söï ngöng tuï cuûa hôi nöôùc treân beà maët chaát raén ôû nhieät ñoä khoaûng töø -140ºC ñeán -120ºC . Ñaù 6 caïnh khoâng thay ñoåi sang ñaù laäp phöông hay daïng khoâng keát tinh khi bò laïnh ñi .Do ñoù, ôû aùp suaát khí quyeån chæ coù ñaù 6 caïnh toàn taïi thích hôïp. III._ÑAËC ÑIEÅM CUÛA NÖÔÙC ÑAÙ: 1_ÑAËC TÍNH : Nöôùc ôû traïng thaùi raén ñöôïc goïi laø nöôùc ñaù.Khi tan ra thaønh nöôùc noù haáp thuï nhieät löôïng raát lôùn töø moâi tröôøng xung quanh. Löôïng nhieät caàn thieát ñeå laøm tan 1g nöôùc ñaù thaønh nöôùc töông döông vôùi nhieät löôïng tieâu toân ñeå ñoá tnoùng 1g nöôùc leân 80°C töø nhieät doâ ban ñaàu laø20°C . Do ñoù nöôùc ñaù laøm haï nhieät moâi tröôøng xung quanh vaø ñöôïc duøng laøm chaát taûi laïnh raát thoâng duïng. Khi nöôùc ñaù noùng chaûy,khoaûng 15% soá lieân keát hydro bò phaù vôõ nghóa laø soá phaàn töû nöôùc bò maát lieân keát vôùi caùc phaân töû beân caïnh .Nhöõng phaân töû töï do chui vaøo caùc loã hoång cuûa caáu truùc roãn,ñieàu ñoù cho pheùp caùc phaân töû xeáp khít hôn,keát quaû laø theå tích ña ùgiaûm ñi khi noùng chaûy. *Nöôùc ñaù thieân nhieân laø nöôùc ñaù coù saün trong thieân nhieân nhö: +Tuyeát: Tuyeát taïo thaønh trong khí quyeån do caùc haït nöôùc nhoû quaù laïnh ñoâng keát thaønh caùc tinh theå baêng (-12°C " -22°C) +Tuyeát vuïn vaø nöôùc ñaù: Tuyeát vuïn laø nhöõng hoøn tuyeát nhoû coù dính nhöõng gioït nöôùc nhoû quaù laïnh ,khi caùc tinh theå baêng môùi hình thaønh ñöôïc nöôùc keát ñoïng nhieàu laàn treân beà maët thì sinh ra möa ñaù. *Nöôùc ñaù nhaân taïo : Nöôùc ñaù nhaân taïo döôïc saûn xuaát ôû daïng khoái(caây20,25,50 Kg),cheá taïo baèng thuøng nhoâm,daïng beï (trong hoäp), daïng vaûy (nhöõng maûnh vuïn nhö ve chai),daïng vieân (ñöôøng kính 30 "100mm),vaø daïng boät mòn,…Tuøy theo yeâu caàu söû duïng. 2.CHEÁ TAÏO ÑAÙ: Cheá taïo ñaù theo phöông phaùp duøng beå nöôùc muoái,khuoân ñaù di ñoäng. Nöôùc muoái laïnh -10°C (ñieåm ñoùng baêng -15°C " 20°C)vaø NH3 bay hôi khoaûng -15C cho nöôùc vaøo khuoân chæ deán 9/10 khuoân ñeå traùnh nöôùc traøn ra beå nöôùc muoái.Laøm sao cho nöôùc muoái beân ngoaøi cao hôn möïc nöôùc trong khuoân ñeå laøm laïnhh ñoâng ñöôïc nhanh. -Nöôùc ñaù duøng ñeå öôùp laïnh thöïc phaåm vaø deå aên caàn ñaït tieâu chuaån khoâng quaù 100 vi khuaån/1cm³vaø khoâng coù vi khuaån E coli. Rieâng nöôùc ñaù duøng ñeå pha troän vaøo saûn phaåm cheá bieán xuaát khaåu phaûi coù pha theâm hoùa chaát saùt truøng nhö:NaClO , Ca(OCl) 2 , NaNO2,NaNO3 , H2O2 …goïi laø “ñaù saùt truøng” (noàng ñoä 50ppm).Neáu vöôït quaù noàng ñoä thuoác cho pheùp nöôùc ñaù seõ coù muøi aûnh höôûng deán saûn phaåm vaø nöôùc ñaù cheá taïo. Keùo daøi thôøi gian ñoâng laøm hao toån ñieän naêng. Ngoaøi ra nöôùc cheá taïo ñaù coù nhieàu khí hoøa tan( khí Clo,khoâng khí…)thì khi haï nhieät ñoä,khí aáy taùch ra 1 phaàn khoâng hoøa tan,taäp trung thaønh daïng nhöõng boït khíthoaùt ra khoâng kòp laøm cho ñaù xoáp,traéng ñuïc.Do ñoù taùc duïng laøm laïnh cuûa nöôùc ñaù seõ keùm,giaûm naêngsuaát laïnh rieâng khi tan 1dm³ ñaù. IV. PHAÂN LOAÏI: Söï hình thaønh caùc loaïi ñaù phuï thuoäc raát nhieàu vaøo ñieàu kieän aùp suaát vaø nhieät ñoä.Aùpsuaát va nhieät ñoä khaùc nhau ta seõ coù nhöõng caáu truùc ñaù khaùc nhau: Ñaù loaïi I, ñaù loaïi II, ñaù loaïi III, ñaù loaïi V, ñaù loaïi VI, ñaù loaïi VII. Hình 2 : Bieåu ñoà theå hieän söï phuï thuoäc cuûa caùc loaïi ñaù vaøo nhieät ñoä vaø aùp suaát Döïa vaøo bieåu ñoà ta coù theå thaáy ñöôïc taïi moãi nhieät ñoä vaø aùp suaát nhaát ñònh loaïi ñaù naøo ñöôïc hình thaønh . - Ñaù I : thay ñoåi sang ñaù II hoaëc ñaù III taïi aùp suaát khoaûng 2kb -Ñaù II :tæ troïng 1,17gm/cc -Ñaù III :hình töù giaùc ,tæ troïng 1,14gm/cc -Ñaù IV :khoâng toàn taïi -Ñaù VI :laø ñaù töù giaùc, tæ troïng 1,31g/cc thao Hình 4: Ñaù loaïi 2 Hình 3: Ñaù loaïi 1 Hình 5: Ñaù loaïi 3 Hình 6: Ñaù loaïi 5 Hình 7: Ñaù loaïi 6 Hình 8: Ñaù loaïi 7 Hình 8 :Ñaù loaïi VII