Chương 8. Dung dịch CHƯƠNG 8. DUNG DỊCH 8.1.Định nghĩa dung dịch Dung dịch là một hệ phân tán, do đó trước hết cần hiểu thế nào là hệ phân tán. 8.1.1. Hệ phân tán Hệ phân tán là hệ có từ 2 chất trở lên. Trong đó một (hay nhiều) chất ở dạng kích thước nhỏ phân bố vào chất kia. Chất được phân bố là pha phân tán, còn chất trong đó có pha phân tán phân bố là môi trường phân tán. Tuỳ thuộc vào kích thước hạt, hệ phân tán được chia làm ba loại: 8.1.1.1. Hệ phân tán thô: các hạt có kích thước cỡ 10 -5 ÷10 -3 cm. Không bền, theo thời gian có thể tách lớp. Có thể nhìn bằng kính hiển vi, đôi khi bằng mắt thường. Tuỳ thuộc vào dạng tồn tại các hạt, hệ phân tán thô có các tên gọi khác nhau: + Hệ bọt: chất khí phân tán trong chất lỏng (ví dụ: không khí trong nước). + Hệ nhũ tương: chất lỏng phân tán trong chất lỏng (ví dụ: sữa gồm các hạt chất béo lơ lửng, xăng trong nước). + Hệ huyền phù: chất rắn phân tán trong chất lỏng (ví dụ: nước đường, phù sa các sông). 8.1.1.2. Dung dịch keo (còn gọi hệ keo) là hệ phân tán trong đó các hạt của pha phân tán có kích thước cỡ 10 -7 ÷10 -5 cm. Dung dịch keo tương đối bền, chỉ có thể thấy các hạt keo dưới kính siêu hiển vi. 8.1.1.3. Dung dịch thật là hệ phân tán trong đó các hạt của pha phân tán bằng kích thước của phân tử hay ion (≈10 -8 <10 -7 cm). Hệ này rất bền. Trong dung dịch thật các hạt của pha phân tán và môi trường phân tán có kích thước xấp xỉ nhau, không còn bề mặt phân chia nữa, do đó toàn bộ dung dịch là một hệ đồng thể. Chất được phân bố là chất tan, còn môi trường trong đó chất tan phân bố gọi là dung môi. 8.1.2. Dung dịch Dung dịch là một hệ đồng thể lỏng hoặc rắn có hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng biến đổi trong một phạm vi tương đối rộng. 8.1.2.1. Dung dịch lỏng được tạo thành khi cho chất khí hòa tan trong chất lỏng, chất lỏng hòa tan trong chất lỏng và chất rắn hòa tan trong chất lỏng, tức một dung dịch lỏng bất kỳ gồm có chất tan và dung môi, trong đó chúng phân bố đồng đều trong nhau dưới dạng phân tử hoặc ion. Người ta gọi dung môi là chất mà dạng tinh khiết nó tồn tại ở trạng thái tập hợp giống như dung dịch thu được. Ví dụ, dung dịch NaCl trong nước, thì nước là dung môi. Nếu cả chất tan và dung môi trước khi hòa tan có trạng thái tập hợp giống nhau. Ví dụ, rượu và nước, thì dung môi là chất có lượng lớn hơn. Dung dịch lỏng có nhiều trong thực tế và được nghiên cứu nhiều. 8.1.2.2. Dung dịch rắn được tạo thành bởi các kim loại hoặc các chất kết tinh hòa tan trong nhau. Dung dịch rắn kim loại có tính đồng nhất rất cao, được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo máy vì chúng ít bị ăn mòn, bền ngay ở nhiệt độ cao. -106- Chương 8. Dung dịch 8.2. Các phương pháp biểu diễn nồng độ dung dịch lỏng Có nhiều phương pháp biểu diễn nồng độ của dung dịch và có thể chia làm ba nhóm. 8.2.1. Nồng độ khối lượng 8.2.1.1. Nồng độ phần trăm Nồng độ phần trăm là lượng chất tan có trong 100g dung dịch (8.1) C% : nồng độ phần trăm; a, b : khối lượng chất tan, dung môi. 8.2.1.2. Nồng độ molan (C m ) Nồng độ molan là số mol chất tan có trong 1000g (1kg) dung môi. (8.2) M : phân tử gam chất tan; a, b : khối lượng chất tan, dung môi. Giữa C% và C m có mối liên hệ: (8.3) 8.2 2. Nồng độ thể tích 8.2.2.1. Nồng độ mol (nồng độ phân tử gam C M ) Nồng độ mol là số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch. (8.4) Giữa C% và C M có mối liên hệ: (8.5) a: số gam chất tan; M: phân tử gam chất tan; V: thể tích dung dịch (ml); d: khối lượng riêng dung dịch (g/ml). 8.2.2.2. Nồng độ đương lượng gam (C N ) Nồng độ đương lượng gam là số đương lượng gam chất tan có trong 1 lít dung dịch. (8.6) D: đương lượng gam chất tan; a: số gam chất tan; -107- C% = ba a + .100 C m = bM a . .1000 C% = . . 1000 m m C M C M + .1000 C M = VM a . 1000. C N = VD a . .1000 10. % M d C C M = .1000 Chương 8. Dung dịch V: thể tích dung dịch (ml). Mối quan hệ giữa C M và C N thể hiện qua biểu thức: (8.7) Trong đó n là tổng số electron trao đổi của một phân tử trong phản ứng oxy hóa khử hoặc bằng số ion (phức tạp hay đơn giản) mức oxy hóa trao đổi của một phân tử trong phản ứng trao đổi (xem lại phần cách tính đương lượng trong chương 1). - Nồng độ C N được dùng rộng rãi trong hóa học và rất thuận tiện. Ví dụ: Xét phản ứng giữa chất A và B tác dụng vừa đủ với nhau ở dạng dung dịch. Gọi C NA , C NB lần lượt là nồng độ đương lượng gam của A, B; V A ,V B là thể tích các chất này tác dụng vừa đủ với nhau. Suy ra: Số đương lượng gam chất A có trong thể tích V A sẽ là C NA .V A ; Số đương lượng gam chất B có trong thể tích V B sẽ là C NB .V B . Theo định luật đương lượng hai chất tác dụng với nhau vừa đủ có số đương lượng gam bằng nhau. (8.8) 8.2.3. Nồng độ không có đơn vị: được đo bằng số mol của chất tan và dung môi gọi là nồng độ phần mol (N i ) hay nồng độ phần phân tử gam là tỷ số giữa số mol chất tan i (n i ) (hay dung môi) trên tổng số mol của các chất tạo thành dung dịch. Nồng độ phần mol biểu diễn bằng công thức: (8.9) n i : số mol chất i ∑ = n j j n 1 : tổng số mol của tất cả các chất tạo nên dung dịch. 8.3. Hiệu ứng nhiệt quá trình hòa tan Khi một chất tan hòa tan vào một dung môi, các tiểu phân của chất tan phân tán khắp dung môi. Các tiểu phân chất tan chiếm những vị trí mà các phân tử chất tan trước đó chiếm. Việc thế chỗ của các tiểu phân chất tan có dễ dàng hay không tùy thuộc vào cường độ của ba loại tương tác: Tương tác giữa các phân tử dung môi; Tương tác giữa các tiểu phân chất tan; Tương tác giữa các tiểu phân chất tan với phân tử dung môi. Để đơn giản ta hình dung quá trình hòa tan gồm ba bước. Bước 1 là sự tách rời nhau của các phân tử dung môi, bước 2 tiếp theo là sự tách rời nhau của các tiểu phân chất tan. Cả hai bước này đều tiêu tốn năng lượng để phá vỡ lực tương tác giữa các phân tử. Bước 3 là sự hòa trộn và tương tác giữa các tiểu phân chất tan với các phân tử dung môi. -108- M D n = CN A .V A = CN B .V B Ni = ∑ = n j j i n n 1 Chương 8. Dung dịch Hiệu ứng nhiệt ∆H ht của quá trình hòa tan bằng tổng đại số hiệu ứng nhiệt của cả ba bước: ∆H ht = ∆H 1 + ∆H 2 + ∆H 3 Nếu lực hấp dẫn giữa các tiểu phân chất tan với các phân tử dung môi là mạnh so với hai tương tác kia thì quá trình hòa tan là thuận lợi: quá trình hòa tan tỏa nhiệt ∆H ht < 0. Ngược lại, nếu lực hấp dẫn giữa các tiểu phân chất tan với các phân tử dung môi là yếu so với nhau tương tác kia thì quá trình hòa tan là bất lợi: quá trình hòa tan thu nhiệt ∆H ht > 0. Ta có thể thắc mắc vì sao khi lực hấp dẫn giữa các tiểu phân chất tan với các phân tử dung môi là yếu so với hai tương tác kia thì quá trình hòa tan vẫn có thể xảy ra được. Điều này có liên quan tới một yếu tố khác yếu tố năng lượng: quá trình hòa tan (phân tán) làm tăng tính hỗn độn của hệ tức là tăng entropy của hệ. Vì thế sự hòa tan vẫn có thể xảy ra ngay cả với trường hợp quá trình hòa tan là thu nhiệt. Theo nhiệt động lực học, một chất tan tan trong một dung môi ở áp suất và nhiệt độ không đổi khi năng lượng tự do của hệ giảm: ∆G = ∆H – T.∆S < 0 Ở nhiệt độ cao, yếu tố entropy đóng góp đáng kể vào biến thiên năng lượng tự do. Do vậy, độ tan của chất rắn và chất lỏng thường tăng khi nhiệt độ tăng. Chất khí vốn chuyển động hỗn loạn, khi hòa tan vào dung môi, entropy của hệ giảm. Ở nhiệt độ thấp, phần đóng góp của entropy vào biến thiên năng lượng tự do là không đáng kể. Do vậy, độ tan của chất khí tăng lên khi làm lạnh. Trong quá trình hòa tan, enthalpy của hệ có thể tăng hay giảm do kết quả của sự chuyển pha và solvat hóa (tương tác giữa chất tan với dung môi). Nhiệt lượng thoát ra hay hấp thụ vào khi hòa tan 1 mol chất vào một lượng dung môi đủ lớn được gọi là nhiệt hòa tan của chất đó. Ví dụ: Nhiệt hòa tan của CaCl 2 là -72.8kJ, NH 4 NO 3 là +26.4kJ. Trộn đẳng áp khí oxy với nitơ: quá trình diễn ra tự phát, entropy của hệ tăng, enthalpy của hệ không thay đổi. Trộn toluen với benzen: cấu tạo chất tan và dung môi tương tự nhau, lực tương tác benzen-benzen, toluen-toluen và benzen-toluen thực tế như nhau, hai chất lỏng trộn lẫn hoàn toàn vào nhau cho dung dịch lí tưởng. Entropy của hệ tăng, biến thiên enthalpy nhỏ. -109- Chương 8. Dung dịch Trộn axeton với chloroform: Aceton là chất phân cực, clorofrom ít phân cực hơn. Lực tương tác aceton – chloroform có khác so với lực tương tác aceton-aceton, chloroform-chloroform. Khi trộn, aceton tan trong cloroform và tỏa nhiệt, dung dịch thu được là dung dịch không lí tưởng. Nếu độ phân cực của một chất khác nhiều so với dung môi chất sẽ không tan trong dung môi đó. Hòa tan muối ăn vào nước: Nước là một dung môi có độ phân cực lớn. Muối ăn là hợp chất có cấu trúc mạng lưới tinh thể ion: cation dương Na + sắp xếp luân phiên ion Cl - ở đầu nút mạng lưới. Khi hòa tan muối ăn vào nước, mạng lưới tinh thể ion bị phá vỡ. Các ion tương tác với các phân tử nước, đặc biệt là cation, mỗi ion natri bị bao bọc bởi sáu phân tử nước. Một ion được bao bọc bởi một số phân tử nước kế cận được gọi là ion hydrat hóa. Trường hợp chung, với dung môi bất kì, ta gọi là solvat hoá. Quá trình phá vỡ mạng lưới tinh thể ion để chuyển các ion đó vào dung dịch đòi hỏi tiêu tốn năng lượng. Ngược lại, quá trình hydrat hoá giải phóng năng lượng. Trường hợp muối ăn, độ lớn của hai năng lượng này xấp xỉ bằng nhau. Khi hòa tan CaCl 2 hay AlCl 3 vào nước, năng lượng hydrat hóa có độ lớn vượt trội, quá trình hòa tan tỏa nhiệt mạnh. Khi hòa tan NaNO 3 hay NH 4 NO 3 vào nước, năng lượng hydrat hoá có độ lớn nhỏ, quá trình hòa tan thu nhiệt. Hòa tan axit sunfuric vào nước: phân tử axit sunfuric rõ ràng không có cấu trúc mạng lưới tinh thể ion như muối ăn. Khi trộn với nước, axit tan hòa tan hoàn toàn và tỏa rất nhiều nhiệt. Hiệu ứng nhiệt ở đây chủ yếu là do quá trình hydrat hóa của ion hydro: H + + H 2 O H 3 O + Cũng vì lí do tương tự, những chất như HCl (k) , HClO 4(l) khi hòa tan vào nước tỏa nhiệt mạnh. Ngoài sự biến đổi về nhiệt, quá trình hòa tan có thể kèm theo sự biến đổi về thể tích. Ví dụ, khi hòa tan 1lít etanol vào 1lít nước ở 25 0 C, thể tích của dung dịch không bằng 2 lít mà là 1,93l, nghĩa là thể tích của dung dịch giảm 3,5%. 8.4. Độ hòa tan 8.4.1. Một số khái niệm - Dung dịch chưa bão hòa của một chất tan là dung dịch có thể hòa tan thêm chất tan đó ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. - Dung dịch bão hòa của một chất tan là dung dịch không thể hòa tan thêm chất tan đó ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. - Dung dịch loãng là dung dịch có lượng chất tan nhỏ. - Dung dịch đậm đặc là dung dịch có lượng chất tan lớn. Không có giới hạn cụ thể của dung dịch loãng và đậm đặc, người ta coi dung dịch nào còn áp dụng được các định luật Raoult và Van’t Hoff là dung dịch loãng, dung dịch nào không áp dụng được là dung dịch đậm đặc. 8.4.2. Độ hòa tan - Độ hòa tan là khả năng hòa tan của chất đó trong dung môi này hay khác. Độ hòa tan của một chất tan ở điều kiện nào đó được đo bằng nồng độ của dung dịch bão hòa chất đó. - Quá trình hòa tan có liên quan chặt chẽ với sự khuếch tán. Khi bỏ một chất rắn vào nước chẳng hạn, các phân tử nước tương tác với bề mặt chất rắn làm cho các phân -110- Chương 8. Dung dịch tử hay ion trên lớp bề mặt đó tách rời khỏi bề mặt chất rắn và khuếch tán vào khắp thể tích nước. Tiếp đó lớp bề mặt mới của chất rắn lại tiếp tục tan vào dung dịch. Quá trình tan cứ thế tiếp diễn. Song song với quá trình tan có một quá trình ngược lại xảy ra: các hạt chất tan trong khi chuyển động hỗn loạn trong dung môi nếu va chạm vào bề mặt chất rắn có thể bị chất rắn giữ lại trên đó và tạo thành một lớp mới: đó là quá trình kết tinh. Lúc đầu quá tình kết tinh xảy ra yếu, khi nồng độ chất tan trong dung dịch càng lớn thì quá trình kết tinh càng mạnh. Tới một lúc nào đó, quá trình hòa tan và quá trình kết tinh đạt trạng thái cân bằng: trong một đơn vị thời gian, lượng chất chuyển vào dung dịch bằng lượng chất từ dung dịch đó chuyển vào pha rắn. Dung dịch ứng với trạng thái này gọi là dung dịch bão hòa. - Trong thực tế, người ta thường biểu diễn độ hòa tan bằng số gam chất tan có trong 100g dung môi và kí hiệu S. + Độ hòa tan chất rắn là số gam chất tan trong 100g dung môi. + Độ hòa tan chất khí tính bằng số mililit chất tan trong 100g dung môi. - Người ta quy ước: S > 10: dễ tan; S < 1: khó tan; S < 0,01: coi như thực tế không tan. Độ hòa tan (S) là đại lượng phụ thuộc vào bản chất chất tan, bản chất dung môi, nhiệt độ, áp suất (ảnh hưởng của áp suất đến độ hòa tan rất ít). • Ảnh hưởng của nhiệt độ với độ tan của chất rắn: Trong nhiều trường hợp, tuy không phải là tất cả, độ tan của chất rắn tăng theo nhiệt độ. Tuy vậy, không có mối liên hệ giữa dấu của ∆H ht với sự biến thiên của độ tan theo nhiệt độ. Ví dụ: nhiệt hòa tan của CaCl 2 là -72,8kJ, NH 4 NO 3 là +26,4kJ, tuy nhiên khi tăng nhiệt độ, độ tan của cả hai muối đều tăng. Đường cong độ tan của muối natri sunfat đặc biệt: nó có điểm gãy ở nhiệt độ 32,38 o C. Ở dưới nhiệt độ đó, dung dịch bão hòa muối natrisunfat cân bằng với chất rắn tinh thể Na 2 SO 4 .10H 2 O; khi nhiệt độ tăng, độ tan tăng. Trên 32,38 o C, dung dịch bão hòa natri sunfat cân bằng với chất rắn Na 2 SO 4 khan, khi nhiệt độ tăng, độ tan giảm. • Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ tan của chất lỏng: Khi một chất lỏng tan trong một chất lỏng khác, có ba trường hợp xảy ra: Các chất lỏng hòa trộn nhau hoàn toàn, ví dụ: rượu etylic tan trong nước theo tỉ lệ bất kì. Các chất lỏng hòa trộn nhau có mức độ, ví dụ, khi trộn anilin với nước, ta được hai lớp có bề mặt phân cách: lớp trên là dung dịch anilin trong nước, lớp dưới là dung dịch nước trong anilin. Khi đun nóng, độ tan của anilin trong nước cũng như độ tan của nước trong anilin đều tăng. Tới 167 o C, anilin và nước trộn lẫn nhau hoàn toàn. Nhiệt độ 167 o C gọi là nhiệt độ tan tới hạn của anilin và nước. Các chất lỏng thực tế không hòa trộn nhau, ví dụ: bezen trong nước. • Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ tan của chất khí: Độ tan của chất khí trong nước giảm khi nhiệt độ tăng. 8.4.3. Quy luật hòa tan của các chất trong chất lỏng Thực nghiệm cho thấy độ hòa tan của phần lớn các chất trong chất lỏng theo quy luật sau: -111- Chương 8. Dung dịch “Các chất có cực tan nhiều trong dung môi có cực và tan rất ít trong dung môi không có cực, ngược lại chất không có cực tan nhiều trong dung môi không có cực và tan rất ít trong dung môi có cực”. Ví dụ: Muối ăn NaCl tan nhiều trong H 2 O nhưng không tan trong dietyl ete (H 5 C 2 OC 2 H 5 ). Iod (I 2 ) tan nhiều trong dietyl ete nhưng tan rất ít trong H 2 O. Do NaCl, H 2 O là chất có cực. I 2 , H 5 C 2 OC 2 H 5 là các chất không có cực. 8.5. Tính chất của dung dịch lỏng không điện ly Hiện nay người ta đã tìm thấy các quy luật của dung dịch loãng thể hiện qua các định luật Raoult và Van’t Hoff (chưa tìm được quy luật chung cho dung dịch đậm đặc). 8.5.1. Định luật Raoult 1 (Raoult nhà vật lý người Pháp thiết lập ra định luật Raoult 1 vào năm 1887). Khi đựng chất lỏng trong bình kín, khoảng không gian trên mặt chất lỏng trong bình đó luôn chứa một lượng hơi của nó. Hơi của chất lỏng nằm cân bằng với chất lỏng trong bình đó gọi là hơi bão hòa. Áp suất tạo bởi hơi này gọi là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng. Ơ nhiệt độ xác định áp suất hơi bão hòa trên mặt chất lỏng khảo sát là một giá trị không đổi. Thí nghiệm chứng tỏ rằng khi hòa tan một chất không bay hơi trong chất lỏng thì áp suất hơi bão hòa của dung dịch tạo thành thấp hơn áp suất hơi của chất lỏng nguyên chất ở cùng nhiệt độ. Nếu ký hiệu áp suất của dung môi nguyên chất là P o và áp suất hơi bão hòa của dung dịch chất tan không bay hơi là P thì hiệu số : P o - P = P (8.10) Gọi P là độ giảm áp suất hơi trên mặt dung dịch so với dung môi nguyên chất, còn tỷ số o P P ∆ là độ giảm tương đối áp suất hơi trên mặt dung dịch. Raoult đã thiết lập được định luật liên quan giữa độ giảm áp suất hơi bão hòa trên mặt dung dịch chất tan không bay hơi, không điện ly và nồng độ chất hòa tan gọi là định luật Raoult 1 như sau: “Độ giảm tương đối áp suất hơi trên mặt dung dịch loãng chất hòa tan không bay hơi, không điện ly bằng tỷ số số mol chất hòa tan trên tổng số số mol chất hòa tan và dung môi”. Biểu thức toán học của định luật Raoult 1 như sau: 2 1 2o P n P n n ∆ = + (8.11) Trong đó n 2 : số mol chất hòa tan; n 1 : số mol dung môi. Từ công thức (7.10) ta thấy nồng độ chất hòa tan tăng thì độ giảm áp suất hơi tăng theo. Ví dụ: Tính áp suất hơi bão hòa của dung dịch chứa 5g chất tan trong 100g H 2 O ở 25 o C, biết ở nhiệt độ này nước có áp suất hơi bão hòa bằng 23,76 mmHg và phân tử gam chất tan bằng 62,5g. -112- Chương 8. Dung dịch Giải Số mol dung môi nước: 2 H O 1 100 n = = n 18 Số mol chất hòa tan: n chất tan = 2 5 62,5 n= Theo định luật Raoult 1: 2 1 2 5 62,5 100 5 18 62,5 o o P P n P n n − = = + + Từ đó, áp suất hơi bão hòa của dung dịch: 23,76 – P = 23,76. 5 62,5 100 5 18 62,5 ≈ + 0,3373 23,42P mmHg⇒ ≈ 8.5.2. Định luật Raoult 2 về nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc của dung dịch loãng Mỗi chất lỏng nguyên chất ở áp suất xác định được đặc trưng bằng nhiệt độ xác định nghiêm ngặt. Một chất lỏng bất kỳ sẽ bắt đầu sôi ở nhiệt độ mà áp suất hơi bão hòa của nó đạt tới giá trị áp suất bên ngoài trên mặt chất lỏng. Ví dụ, ở áp suất 1atm nước sôi ở 100 o C, vì ở nhiệt độ này áp suất hơi nước vừa vặn 1 atm. Trong quá trình sôi, nhiệt độ sôi của nước nguyên chất không biến đổi. Nếu ta hòa tan một chất không bay hơi vào nước, thì áp suất trên mặt dung dịch giảm xuống. Để làm cho áp suất hơi trên mặt dung dịch đạt 1 atm, cần phải đun nóng dung dịch ở nhiệt độ cao hơn 100 o C. Vậy: nhiệt độ sôi của dung dịch chất tan không bay hơi luôn luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng điều kiện. Nhiệt độ bắt đầu kết tinh của chất lỏng bất kỳ gọi là nhiệt độ đông đặc của nó. Đối với chất lỏng nguyên chất nhiệt độ kết tinh thành tinh thể là một hằng số ở áp suất xác định. Sự có mặt chất hòa tan không bay hơi trong dung môi nguyên chất làm cho dung dịch tạo thành có nhiệt độ đông đặc thấp hơn nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất. Khi dung dịch loãng chứa chất hòa tan không bay hơi kết tinh, thì tinh thể thoát ra đầu tiên là dung môi, do đó trong quá trình kết tinh nồng độ dung dịch tăng dần dẫn đến nhiệt độ kết tinh giảm dần. Raoult đã thiết lập được định luật Raoult 2: Độ tăng nhiệt độ sôi và độ giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch loãng chứa chất tan không bay hơi, không điện ly tỉ lệ thuận với nồng độ. Biểu thức toán học: (8.12) (8.13) -113- ∆t s = K s . C m ∆t đ = K đ . C m Chương 8. Dung dịch với K s : hằng số nghiệm sôi, K đ : hằng số nghiệm đông (lạnh); ∆t s : độ tăng nhiệt độ sôi = t o sôi dung dịch - t o sôi của dung môi nguyên chất; ∆t đ : độ giảm nhiệt độ đông đặc = t o đông đặc của dung môi nguyên chất - t o đông đặc của dung dịch; C m : nồng độ molan (số mol chất tan trong 1000g dung môi). Nếu gọi m là khối lượng chất tan (tính bằng gam) có trong 1000 g dung môi và M là khối lượng mol của chất tan thì C M = m M , hai công thức (8.12) và (8.13) sẽ có dạng: (8.14) (8.15) Công thức (8.14) và (8.15) cho thấy có thể xác định khối lượng phân tử của chất tan không bay hơi bằng cách đo nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc của dung dịch loãng. Ví dụ: Xác định khối lượng phân tử của glyxerin biết rằng dung dịch chứa 2,76g glyxerin trong 200g nước đông đặc ở –0,279 o C. (Cho hằng số nghiệm đông của dung môi nước K đ = 1,86). Giải: Từ (8.15) ⇒ M = k đ . d m t ∆ Khối lượng của glyxerin có trong 1000g nước: m = 2,76 g8,13 200 1000 = Độ giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch: ∆t đ = t o đđ dung môi nguyên chất – t o đđ của dung dịch = O o C - (- 0,279 o C) = 0,279 o C Khối lượng mol glyxerin: M = K đ . d m t ∆ = 1,86 . 279,0 8,13 = 92g Vậy khối lượng phân tử glyxerin bằng 92 đvC. 8.5.3. Định luật Van’t Hoff cho áp suất thẩm thấu của dung dịch loãng 8.5.3.1. Sự thẩm thấu Chúng ta quan sát hai thí nghiệm sau: Thí nghiệm 1: Trong một ống hình chữ U có khóa ở giữa và hai dung dịch có nồng độ khác nhau. Đổ dung dịch có nồng độ đậm đặc hơn vào nhánh A, dung dịch có nồng độ loãng hơn vào nhánh B. Mở khóa 2 nhánh đều chứa cùng một dung dịch có nồng như nhau, nồng độ dung dịch khi này thấp hơn nồng độ dung dịch ở nhánh A ban đầu và cao hơn nồng độ dung dịch ở nhánh B ban đầu. Chứng tỏ, phân tử chất tan đã -114- ∆t s = k s . M m ∆t đ = k đ . M m Chương 8. Dung dịch khuếch tán từ nhánh A sang B, các phân tử nước khuếch tán ngược lại từ B sang A. Hiện tượng này gọi là sự khuếch tán 2 chiều. Thí nghiệm 2: Cũng làm thí nghiệm như trên nhưng ta thay khoá ngăn giữa 2 dung dịch trong ống hình chữ U bằng một màng ngăn có tính bán thấm. Màng ngăn này chỉ cho các phân tử của dung môi đi qua và ngăn các phân tử chất hòa tan lại thì gọi là màng bán thấm. Hiện tượng quan sát được là mức chất lỏng của dung dịch đặc hơn (nhánh A) tăng lên, còn mức chất lỏng của dung dịch loãng hơn (nhánh B) giảm xuống. Nguyên nhân là do các phân tử nước từ dung dịch loãng hơn chuyển xuyên qua màng bán thấm qua dung dịch đặc hơn. Sự chuyển dịch này tuân theo nguyên lý thứ hai của nhiệt động học và có tên gọi là sự thẩm thấu. Hiện tượng phân tử dung môi đi qua màng bán thấm gọi là sự thẩm thấu. Màng bán thấm có nhiều trong tự nhiên như màng tế bào, màng củ cải. Màng tế bào cho nước đi qua nhưng không cho các chất tan trong dịch tế bào đi qua. Khi nước thẩm thấu qua màng tế bào làm tăng áp suất trong tế bào và làm thành tế bào căng lên. Chính hiện tượng thẩm thấu này mà các phần mềm của thực vật như lá, hoa có tính đàn hồi. Khi thiếu nước thể tích của chất lỏng trong tế bào giảm đi làm tế bào bị xẹp và lá, hoa sẽ bị héo. Ngoài ra nhờ hiện tượng này mà cây có thể hút được nước từ đất lên để nuôi các tế bào. 8.5.3.2. Áp suất thẩm thấu Kết quả của thí nghiệm hai là có sự chênh lệch giữa hai mức nước của dung dịch. Sự chuyển dịch sẽ dừng lại khi sự chênh lệch hai mức nước đạt đến một giá trị nào đó. Giữa 2 cột nước có sự chênh lệch áp suất. Áp suất này được gọi là áp suất thẩm thấu. Vậy: áp suất thẩm thấu của dung dịch bằng áp suất bên ngoài cần tác dụng lên dung dịch để cho hiện tượng thẩm thấu không xảy ra. Áp suất thẩm thấu ký hiệu π . Năm 1886 nhà bác học người Hà Lan Van’t Hoff bằng thực nghiệm đã tìm ra mối quan hệ giữa áp suất thẩm thấu của dung dịch và nồng độ chất tan theo biểu thức: (8.16) C M : là nồng độ mol của dung dịch; R: là hằng số khí; T: nhiệt độ ( o K) của dung dịch. 8.5.3.3. Định luật Van’t Hoff cho áp suất thẩn thấu của dung dịch loãng Từ (8.16) ⇒ (vì C M = V n ) (8.17) Tong đó, V: thể tích dung dịch; n: số mol của dung dịch. Công thức (8.17) có dạng phương trình khí lý tưởng Clapeyron-Mendeleev nên định luật Van’t Hoff được phát biểu như sau: “Áp suất thẩm thấu của các dung dịch loãng bằng áp suất của chất hòa tan có được nếu có ở trạng thái khí ở cùng nhiệt nhiệt độ với dung dịch và chiếm một thể tích bằng thể tích của dung dịch”. -115- π = C M .RT π .V = nRT