Đề tài Cấu trúc và tính chất của nước đá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA THỰC PHẨM &&& GVCN: Tôn Nữ Minh Nguyệt Họ vàTên: T Phạm Thị Phương Thảo_60402378 T Nguyễn Thị Thanh Nga_60401621 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC ĐÁ T T T I. CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC. 1.DẠNG ĐƠN PHÂN. 2.DẠNG LIÊN HỢP. 3.TRẠNG THÁI TỒN TẠI CỦA NƯỚC. II. CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC ĐÁ. III. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC ĐÁ. IV. ĐẶC ĐIỂM CỦA NƯỚC ĐÁ: 1.ĐẶC TÍNH. 2.CHẾ TẠO ĐÁ. V.PHÂN LOẠI. I. CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC: 1-DẠNG ĐƠN PHÂN: Nước có công thức phân tư ûlà H20 (M=18) ,nguyên tử Oxy và 2 nguyên tử Hydro tạo thành 1 tam giác cân có đỉnh là O. Sáu điện tử linh động của oxy trong phân tử nước tạo thành bốn đám mây điện tử sp³ hướng về bốn đỉnh của 1 tứ diện .Hai trong bốn đám mây điện tử đó xen lẫn với đám mây điện tử của 2 nguyên tử tạo thành liên kết đồng hoá trị O-H với góc đỉnh H-O-H là 104,5º ,khoảng cách liên kết O-H là 0,96Aº trong khi 2 đám mây còn lại chứa 2 điện tử chưa cặp đôi .Do độ âm điện cao của oxy nên liên kết đồng hoá trị O-H có 1 phần tính chất của ion. Liên kết hydro là liên kết yếu nhưng sự tồn tại với số lượng lớn của liên kết hydro đã làm cho nó có vai trò quan trọng trong các quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm. Năng lượng cắt đứt liên kết hydro là 25Kj/mol.Liên kết hydro là liên kết của 2 phân tử bất kì qua nguyên tử H. Mỗi phân tử nước và các chất khác phần lớn là do những điểm đặc biệt trong cấu tạo của nó. Một trong những điểm khác biệt đó là sự tồn tại của trạng thái liên hợp giữa các phân tử nước. Công thức chung của 1 liên hợp nước là [H2O]n ,với n=1,2,3,4,… 2- LIÊN HỢP NƯỚC Được tạo thành do liên kết hydro giữa các phân tử nước, số lượng các phân tử nước tham gia vào liên hợp nước rất khác nhau.Qúa trình tạo liên hợp nước được gọi là quá trình hydrat hoá nước, ngược lại, quá trình phân ly liên hợp nước thành các phân tử nước đơn phân được gọi là quá trình dehydrat hoá nước. Hai quá trình này luôn xảy ra đồng thời và tuỳ thuộc trạng thái của nước mà lúc này hay lúc khác một trong hai quá trình sẽ chiếâm ưu thế . n H2O↔ [H2 O]n Như trên đã trình bày, do cấu tạo có 4 vị trí có thể cho hay nhận điện tử để tạo liên kết hydro mà 1 phân tử nước có thể gắn với tối đa 4 phân tử nước khác tạo nên cấu trúc tứ diện ,phân tử đó ở tại tâm và 4 phân tử còn lại tạo thành bốn đỉnh .Nếu số phân tử nước tăng lên nữa ,thì cấu trúc của 1 liên hợp nước sẽ là 1 mạng không gian 3 chiều tạo thành từ các liên kết hydro. 3- TRẠNG THÁI TỒN TẠI CỦA NƯỚC: Cũng như các hợp chất hoá học khác ,nước trong tự nhiên tồn tại ở cả 3 dạng :rắn ,lỏng và hơi.Nước ở trạng thái lỏng trong khoảng nhiệt độ từ 0ºC đến 100ºC .Ở trạbg thái này ,cả 2 quá trình hydrat hoá và dehydrat hoá nước cùng diễn ra đồng thời.Nhiệt độ càng thấp ,nhiệt năng cung cấp ít. Phân tử chuyển động chậm nên mức độ hydrat hoá càng cao. Khi nhiệt độ hạ thấp dần ,dao động nhiệt của các phân tử nước cũng giảm dần, tạo điều kiện cho quá trinh hydrat hoá nước sảy ra, liên hợp nước càng lớn. Tại điểm đông đặc (0ºC) nước đông đặc lại ,chuyển sang trạng thái rắn gọi là nước đá. Lúc này ,dao đông nhiệt giảm tối đa nên mức độ hydrat hoá cũng đạt đến tối đa.Mỗi phân tử nước đều liên kết với 4 phân tử nước khác tạo nên cấu trúc tinh thể đặc biệt của nước đá:tứ diện đều và cấu trúc rỗng. Thực nghiệm cho thấy ở 0ºC thì chỉ có khoảng 50% tổng số phân tử nước tham gia liên hợp nước, ở -183ºCtất cả các phân tử nước đều tham gia liên hợp nước. I.CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC ĐÁ: Trong nước đá, toàn bộ các liên kết đều là mạch cực đại và do đó các phân tử đều phân bố trong 1 cấu trúc mạng lưới chuẩn. Sự sắp xếp ngẫu nhiên các phân tử H2O tự do trong nước lỏng làm cho chúng xếp gần nhau hơn so với trong cấu trúc mạng. Do đó nước đá có cấu trúc thưa hơn và nó nổi trên mặt nước lỏng.Hay tỉ trọng của nước đá nhỏ hơn của nước - Tỉ trọng của nước lỏng ở 0ºC : 0,9998 g/ml -Tỉ trọng của nước đá ở 0ºC : 0,9168 g/ml Hình 1: Cấu trúc nước đá II.TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC ĐÁ - Ở áp suất thường,nước có tỉ trọng lớn nhất ở 4°C .Trong quá trình hạ nhiệt độ từ 4°C "0°C tỉ trọng giảm từ 1000 " 999,9kg/m³ và khi biến thành nước đá tỉ trọng tiếp tục giảm tới 916,8 kg/m³ .Tỉ trọng nước đá fđ có quan hệ với nhiệt độ như sau: fđ = 917(1-0,00015t). để cân bằng hệ 2 pha nước_đá, áp suất P liên quan với nhiệt độ nóng chảy của đá theo phương trình Klapeuron-Kleuzysac: = dp r dr T(vl-vđ) Trong đó: r: ẩn nhiệt đóng băng R= 334KJ/Kg Khi nhiệt độ hạ 1°C thí v tăng 2,12KJ/Kg vl,vđ: thể tích riêng của pha lỏng và pha đá(rắn) Bởi vì vl,vđ nên dp/dt " Khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm _Tỉ nhiệt của nước đá: Cđ= 2,12KJ/(Kg.K) Hệ số dẫn nhiệt: λđ=2,22w/m.K có quan hệ với nhiệt đô như sau: Cđ≈ 2,12+0,00779t λđ≈ 2,22(1-0,0015t) _Một số đặc trưng của nước đá : 0ºC -20ºC Tỷ trọng [g/ml] 0,9168 0,9193 Aùp suất hơi [kPa] 0,6113 0,103 Nhiệt dung riêng [J/g độ K] 2,1009 1,9544 Độ dẫn nhiệt [W/m.độ K] 2,240 2,433 Nhiệt khuếch tán[m²/s] 11,7.10‾ 7 11,8.10‾7 Hằng số điện môi -90 -98 Hình vẽ: Cấu trúc của đá tại áp suất và nhiệt dộ khác nhau -Aùp suất dưới 2,7 atm thì đá trong suốt như pha lê và gọi là đá I ,nhưng trên 2,7atm thì trên sơ đồ có ít nhất 13 loại tinh thể khác nhau (được kí hiệu từ số II đến XIV) .Đá I tồn tại ở 2 dạng tinh thể :đá 6 cạnh và đá lập phương .Đá lâp phương được tạo thành bởi sự ngưng tụ của hơi nước trên bề mặt chất rắn ở nhiệt độ khoảng từ -140ºC đến -120ºC . Đá 6 cạnh không thay đổi sang đá lập phương hay dạng không kết tinh khi bị lạnh đi .Do đó, ở áp suất khí quyển chỉ có đá 6 cạnh tồn tại thích hợp. III._ĐẶC ĐIỂM CỦA NƯỚC ĐÁ: 1_ĐẶC TÍNH : Nước ở trạng thái rắn được gọi là nước đá.Khi tan ra thành nước nó hấp thụ nhiệt lượng rất lớn từ môi trường xung quanh. Lượng nhiệt cần thiết để làm tan 1g nước đá thành nước tương dương với nhiệt lượng tiêu tôn để đố tnóng 1g nước lên 80°C từ nhiệt dô ban đầu là20°C . Do đó nước đá làm hạ nhiệt môi trường xung quanh và được dùng làm chất tải lạnh rất thông dụng. Khi nước đá nóng chảy,khoảng 15% số liên kết hydro bị phá vỡ nghĩa là số phần tử nước bị mất liên kết với các phân tử bên cạnh .Những phân tử tự do chui vào các lỗ hổng của cấu trúc rỗn,điều đó cho phép các phân tử xếp khít hơn,kết quả là thể tích đa ùgiảm đi khi nóng chảy. *Nước đá thiên nhiên là nước đá có sẵn trong thiên nhiên như: +Tuyết: Tuyết tạo thành trong khí quyển do các hạt nước nhỏ quá lạnh đông kết thành các tinh thể băng (-12°C " -22°C) +Tuyết vụn và nước đá: Tuyết vụn là những hòn tuyết nhỏ có dính những giọt nước nhỏ quá lạnh ,khi các tinh thể băng mới hình thành được nước kết đọng nhiều lần trên bề mặt thì sinh ra mưa đá. *Nước đá nhân tạo : Nước đá nhân tạo dược sản xuất ở dạng khối(cây20,25,50 Kg),chế tạo bằng thùng nhôm,dạng bẹ (trong hộp), dạng vảy (những mảnh vụn như ve chai),dạng viên (đường kính 30 "100mm),và dạng bột mịn,…Tùy theo yêu cầu sử dụng. 2.CHẾ TẠO ĐÁ: Chế tạo đá theo phương pháp dùng bể nước muối,khuôn đá di động. Nước muối lạnh -10°C (điểm đóng băng -15°C " 20°C)và NH3 bay hơi khoảng -15C cho nước vào khuôn chỉ dến 9/10 khuôn để tránh nước tràn ra bể nước muối.Làm sao cho nước muối bên ngoài cao hơn mực nước trong khuôn để làm lạnhh đông được nhanh. -Nước đá dùng để ướp lạnh thực phẩm và dể ăn cần đạt tiêu chuẩn không quá 100 vi khuẩn/1cm³và không có vi khuẩn E coli. Riêng nước đá dùng để pha trộn vào sản phẩm chế biến xuất khẩu phải có pha thêm hóa chất sát trùng như:NaClO , Ca(OCl) 2 , NaNO2,NaNO3 , H2O2 …gọi là “đá sát trùng” (nồng độ 50ppm).Nếu vượt quá nồng độ thuốc cho phép nước đá sẽ có mùi ảnh hưởng dến sản phẩm và nước đá chế tạo. Kéo dài thời gian đông làm hao tổn điện năng. Ngoài ra nước chế tạo đá có nhiều khí hòa tan( khí Clo,không khí…)thì khi hạ nhiệt độ,khí ấy tách ra 1 phần không hòa tan,tập trung thành dạng những bọt khíthoát ra không kịp làm cho đá xốp,trắng đục.Do đó tác dụng làm lạnh của nước đá sẽ kém,giảm năngsuất lạnh riêng khi tan 1dm³ đá. IV. PHÂN LOẠI: Sự hình thành các loại đá phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện áp suất và nhiệt độ.Aùpsuất va nhiệt độ khác nhau ta sẽ có những cấu trúc đá khác nhau: Đá loại I, đá loại II, đá loại III, đá loại V, đá loại VI, đá loại VII. Hình 2 : Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của các loại đá vào nhiệt độ và áp suất Dựa vào biểu đồ ta có thể thấy được tại mỗi nhiệt độ và áp suất nhất định loại đá nào được hình thành . - Đá I : thay đổi sang đá II hoặc đá III tại áp suất khoảng 2kb -Đá II :tỉ trọng 1,17gm/cc -Đá III :hình tứ giác ,tỉ trọng 1,14gm/cc -Đá IV :không tồn tại -Đá VI :là đá tứ giác, tỉ trọng 1,31g/cc thao Hình 4: Đá loại 2 Hình 3: Đá loại 1 Hình 5: Đá loại 3 Hình 6: Đá loại 5 Hình 7: Đá loại 6 Hình 8: Đá loại 7 Hình 8 :Đá loại VII