BÀI GIẢNG hóa đại CƯƠNG CHƯƠNG 4 DUNG DỊCH

Nếu nồng độ chất tan lớn hơn hoặc bằng độ hòa tan thì dung dịch đó bão hòahoặc quá bão hoà Nếu nồng độ chất tan nhỏ hơn độ hòa tan thì dung dịch đó chưa bão hòa 4.1.4- Dung dịch vô cùng

4.1.2- Dung môi và chất tan

Có ba loại dung dịch đó là khhí trong lỏng, rắn trong lỏng và lỏng trong lỏng.Đối với dung dịch khí trong lỏng và rắn trong lỏng thì chất lỏng được gọi là dung môicòn chất rắn và khí được gọi là chất tan

Đối với dung dịch lỏng trong lỏng thì có 2 trường hợp:

- Nếu 2 chất lỏng tan vô hạn vào nhau thì dung môi là chất có trong dung dịchvới lượng nhiều hơn

Ví dụ: Rượu trong nước, thì rượu và nước đều tan vô hạn vào nhau, do đó nước

và rượu đều có thể là dung môi tuỳ thuộc vào chất nào chiếm lượng nhiều hơn

- Nếu 2 chất lỏng hoà tan hạn chế vào nhau thì dung môi là chất mà khi thêm nóvào dung dịch với bất kỳ lượng nào nó cũng không làm mất tính đồng thể của dungdịch

Ví dụ: Phênol trong nước

4.1.3- Dung dịch bão hòa

Dung dịch bão hòa là dung dịch mà chất tan ở trạng thái cân bằng với kết tủa củanó

Nồng độ của dung dịch bảo hoà chính là độ hòa tan của chất đó trong dung dịch

ở tại nhiệt độ đó

Nếu nồng độ chất tan lớn hơn hoặc bằng độ hòa tan thì dung dịch đó bão hòahoặc quá bão hoà

Nếu nồng độ chất tan nhỏ hơn độ hòa tan thì dung dịch đó chưa bão hòa

4.1.4- Dung dịch vô cùng loãng

Dung dịch vô cùng loãng là dung dịch mà trong đó chất tan nhỏ hơn rất nhiều sovới dung môi

Đối với chất tan không phân ly : n 10 2kmol m3





Đối với dung dịch phân ly 6 3

m

kmol 10



Do đó, dung dịch vô cùng loãng thì lượng chính là dung môi

4.1.5- Dung dịch lý tưởng và dung dịch thực

a) Dung dịch lý tưởng

Định nghĩa: Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà trong đó lực tương tác giữa

các phân tử hay các ion cùng loại bằng lực tương tác giữa các phân tử hoặc các ion khácloại

Ví dụ : A – A ; B – B ; B – A là dung dịch lý tưởng khi A – A = B – B = B – A

Để tạo thành một dung dịch lý tưởng thì các trường lực phải bằng nhau, hay cấutạo phân tử phải giống nhau

Tính chất :

- Trong quá trình hòa tan không kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa hay thu nhiệt) hay

là Q = 0 (hay không có hiệng tượng thu và phát nhiệt)

- Thể tích của hệ bằng tổng thể tích các chất thành phần hay không có hiệntượng co dãn thể tích

b) Dung dịch thực

Định nghĩa: Dung dịch thực là dung dịch mà trong đó lực tương tác giữ các

phân tử cùng loại khác với lực tương tác giữa các phân tử khác loaị

Ví dụ: A – A  A – B về lực tương tác

Tính chất:

- Trong quá trình hòa tan thành dung dịch có kèm theo hiệu ứng nhiệt

- Thể tích của dung dịch không bằng tổng thể tích của các chất thành phần hay

nó có sự co dãn thể tich

Ví dụ: trộn 100 ml H2O với 100ml H2SO4 98% thì thể tích dung dịch khác 200

ml Vì tỷ khối của dung dịch khác nhau và kèm theo sự toả nhiệt

4.1.6- Các cách biểu diễn thành phần dung dịch

Tính chất của dung dịch được xác định trước tiên là do thành phần của nó, vìvậy cần phải biết cách biểu diễn thành phần dung dịch Sau đây là một số cách biểu diễnchủ yếu:

a) Nồng độ phần trăm khối lượng (C % )

Là đại lượng cho biết số gam chất tan có trong 100 gam dung dịch :

%100aa

a

%C

2 1

1





Trong đó: a1 làkhối lượng chất tan

a2 là khối lượng dung môi(a1 + a2) là khối lượng dung dịch

b) Nồng độ mol/l (C M )

Là đại lượng cho biết số mol chất tan có trong 1 lit dung dịch

V

n V M

a C

1

1

Trong đó: a1 làkhối lượng chất tan

M1 là số khối của chất tan

V là thể tích dung dịch

c) Nồng độ phân số mol (N)

2 1

1

nn

nN

aC

2 1

1

m 

Trong đó: a1 làkhối lượng chất tan

a2 là khối lượng dung môi

M1 là phân tử lượng của chất tan

e) Nồng độ đương lượng (C N )

Là đại lượng cho biết số đương lượng chất tan có trong 1 lít dung dịch

V

NVD

Trong đó: a1 là số gam chất tan

Đ1 là đương lượng gam của châùt tan

a1/Đ1 số đương lượng gam của chất tan và bằng N1

Những chất có nhiều mức oxi hóa sẽ ảnh hưởng đến đương lượng gam chất tan

 Cách tính đương lượng gam:

4.2- Dung dịch không điện ly

4.2.1- Dung dịch chứa chất tan không bay hơi không phân ly Áp suất hơi bão hoà của dung dịch

Trong một thể tích kín do sự bay hơi tự nhiên của chất lỏng nên trên bề mặt củachất lỏng tinh khiết có mặt hơi của nó Ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ nhất địnhthì áp suất hơi của nó được gọi là áp suất hơi bão hòa

Khi nhiệt độ càng tăng thì áp suất hơi bão hoà càng lớn

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi hoà tan vào chất lỏng bay hơi A một chất tanrắn không bay hơi không phân ly thì áp suất hơi bão hoà của dung môi trên dung dịch(gọi tắc là áp suất hơi bão hòa của dung dịch) sẽ giảm xuống và trong trường hợp đơngản nhất ta có:

pA = k.NA (a)Với: pA áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch

NA nồng độ phân số mol của chất tan không bay hơi, không phân ly

k là hệ số tỷ lệ

Đối với dung dịch nguyên chất thì NA = 1, lúc đó :

p0

A = k (b)Với : p0

A là áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung môi nguyên chất

Thế (b) vào (a) ta được :

0

A

p

pp

0

A

p

pp

Định luật RaOult được phát biểu vào năm 1887 với nội dung: ‘’Tại một nhiệt

độ xác định độ giảm tương đối áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng nồng độ phân

số mol của chất tan không bay hơi’’

Hệ quả của định luật RaOult: là sự biến đổi áp suất hơi khí quyển từ dung môi

tinh khiết sang dung dịch trong trường hợp dung dịch loãng và lý tưởng chỉ được xácđịnh bằng số phân tử chất tan trong đơn vị thể tích của dung dịch, chứ không phụ thuộcvào bản chất của chất tan

4.2.2- Nhiệt độ đông đặc và phương pháp nghiệm lạnh

 Nhiệt độ đông đặc

Định nghĩa: nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó tinh thể dung môi rắn đầu tiêntách ra khỏi dung dịch.

Khi tinh thể dung môi rắn càng tách ra thì nồng độ dung dịch càng tăng nên ápsuất hơi bão hòa càng giảm và nhiệt độ đông đặc dung dịch càng giảm

 Điều kiện đông đặc

Một chất lỏng đông đặc ở nhiệt độ nào đó thì tại đó áp suất hơi của pha lỏngbằng với áp suất hơi của pha rắn

Tại nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất có cân bằng giữa pha rắn, lỏng,hơi

Nếu thêm chất tan không bay hơi, không phân ly vào pha lỏng thì cân bằng giữapha lỏng và pha rắn bị phá huỷ, kéo theo sự ngưng tụ lượng dư của pha hơi, nên áp suấthơi trên pha lỏng giảm xuống Do đó, muốn đạt tới trạng thái cân bằng giữa pha hơi,pha lỏng và pha rắn thì hơi trên pha rắn phải ngưng tụ, quá trình này đòi hỏi phải hạnhiệt độ, do đó nhiệt độ đông đặc của dung dịch thấp hơn nhiệt độ đông đặc của dungmôi tinh khiết

 Phương pháp nghiệm lạnh

Khi hoà tan một chất tan không bay hơi không phân ly vào một chất lỏng, ápsuất hơi bão hòa của chất lỏng giảm xuống Nếu dung dịch là vô cùng loãng thì áp suấtcủa dung môi biến thiên theo định luật Raoult:

(3)

(1)(2)

Chú ý: đường cong (1) cao hơn đường cong (2) bởi vì áp suất hơi của dung môi tinh

khiết bao giờ cũng lớn hơn áp suất của dung dịch Đường (3) dốc hơn đường (1) đường(2) bởi vì nhiệt độ thăng hoa bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ hoá hơi của cùng một chất

Theo điều kiện cân bằng pha khi chất lỏng kết tinh thì áp hơi bão hoà của nó trênpha lỏng và pha rắn phải bằng nhau Vì vậy giao điểm của 2 đường cong của áp suất hơichính là điểm đông đặc của chất lỏng

Trên đồ thị T0 ứng với nhiệt độ đông đặc của dung môi tinh khiết, Tđ là nhiệt độđông đặc của dung dịch và Tđ < T0

Sự giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch được tính bằng công thức:

m k

Td 



Với

nc 1

2 0

Q.1000

M.T.R

m là nồng độ molan của chất tan

Giả sử ta có g2 gam chất tan có khối lượng phân tử là M2 tan trong g1 gam dungmôi Lúc đó

2

2 tan c

g

1 2 2

Suy ra: Tđ =

1 2

2

g.M

1000.g.km

Ứng dụng: Dựa vào độ hạ nhiệt độ đông đặc ta có thể tìm phân tử lượng của chất tan

không bay hơi, không phân ly (tìm M2 )

Ví dụ: tính khối lượng của H – C mạch thẳng khi hòa tan 0,81g chất đó trong 190g

Etylen brômua (k = 12,5) thì độ hạ nhiệt độ đông đặc là 0,53K

Giải:

Ta có: Tđ =

1 2

2

g.M

1000.g.k

190.53,0

1000.81,0.5,12g.T

1000.g.kM

1 d

4.2.3- Nhiệt độ sôi và phương pháp nghiệm sôi

 Nhiệt độ sôi

Sôi là hượng tượng hoá hơi xảy ra trong lòng chất lỏng

Nhiệt độ sôi là nhiệt độ tại đó có sự hoá hơi xảy ra trong lòng chất lỏng

 Điều kiện để có hiện tượng sôi

Điều kiện để có hiện tượng sôi xảy ra là áp suất trên bề mặt chất lỏng bằng với

áp suất khí quyển: pL = ph = pkq

 Phương pháp nghiệm sôi

Xét hệ gồm 2 cấu tử A và B Trong đó A là dung môi nguyên chất, B là chất tankhông bay hơi không phân ly

Khi hoà tan 2 chất này vào nhau thì áp suất hơi của dung dịch chứa chất tankhông bay hơi không phân ly bao giờ cũng nhỏ hơn áp suất hơi của dung môi nguyênchất ở cùng nhiệt độ dẫn đến nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng cao hơn nhiệt độsôi của dung môi nguyên chất

Được giải thích theo đồ thị sau:

Đường (1) là đường biểu diễn sự phụ thuộc áp suất hơi của dung môi nguyênchất vào nhiệt độ

Đường (2) là đường biểu diễn sự phụ thuộc áp suất hơi của dung dịch vào nhiệtđộ

Ở nhiệt độ T0

s thì áp suất hơi của dung môi p0

1 bằng với áp suất khí quyển pkq,nên dung môi bắt đầu sôi Nhưng ở nhiệt độ này thì áp suất của dung dịch là p1 nhỏ hơn

p0= pkq nên ở nhiệt này dung dịch chưa thể sôi, do đó để có sự sôi xảy ra thì phải nângnhiệt độ từ T0

s  Ts để cho p1 = pkq thì lúc đó mới có sự sôi xảy ra

Thực nghiệm cho thấy sự tăng nhiệt độ sôi : Ts = Ts - T0

Q

T.R.1000

M

TS

po 1

p1

(1)(2)

B A

To S

p

To

K

Và m : nồng độ molan của chất tan.

Ứng dụng: Dựa vào độ tăng nhiệt độ sôi TS ta có thể xác định khối lượng phân tử củachất tan không bay hơi, không phân ly M2

Ta có: TS = E.m =

1 2

2

g.M

1000.g

1 d

2 2

g.T

1000.g.EM

4.3.1 Tính bất thường của các dung dịch axít, bazơ, muối.

Các phương trình thu được trên đây chỉ áp dụng được cho các chất tan không

phân ly khi hòa tan vào dung môi Trong trường hợp chất tan phân ly, tức dung dịch thu được là dung dịch điện ly, để áp dụng được cần phải có sự hiệu chỉnh bằng cách thêm một hệ số thích hợp i, được gọi là hệ số Vant Hoff

Hệ số i tính theo lý thuyết cho một chất là tổng số mol ion mà 1 mol chất tan cóthể phân ly ra, hay nói cách khác là số ion ứng với công thức của chất

Ví dụ NaCl có i =2, K2SO4 có i = 3

Nhưng thực tế giá trị i xác định được bằng thực nghiệm thường nhỏ hơn giá trị itính được bằng lý thuyết Ðiều này cho thấy rằng trong dung dịch thực sự không phảichất tan hoàn toàn phân ly thành các ion riêng lẻ, độc lập mà sẽ một phần tồn tại dướidạng cặp ion Ðối với các dung dịch càng loãng thì giá trị i càng gần với giá trị lýthuyết Ðối với các chất tan tạo ion có điện tích lớn thì giá trị i càng khác biệt đáng kể

so với lý thuyết Ðiều này nói lên rằng các dung dịch có ion mang điện tích lớn, sự hìnhthành các cặp ion xảy ra mạnh

Các phương trình áp dụng cho dung dịch điện ly cũng có dạng tương tự như cácphương trình đã trình bày nhưng được bổ sung thêm hệ số Vant Hoff

T R C i : Hay

K m i T

1,92,7

Chất điện ly i lý thuyết i thực nghiệm

1,33,41,91,0

 Độ điện li biểu kiến

Chất điện li mạnh có  = 1 Nhưng bằng thực nghiệm giá trị  đo được thườngnhỏ hơn 1 Chỉ khi dung dịch rất loãng mới đo được  = 1 Hiện tượng này được giảithích như sau:

Trong dung dịch rất loãng, khoảng cách giữa các ion lớn, nên có thể bỏ qua sựtương tác tĩnh điện giữa các ion Trong dung dịch đặc các ion gần nhau, nên có sựtương tác tĩnh điện giữa các ion làm giảm sự chuyển động tự do của các ioin và đượcphản ánh ở giá trị  đo được

Như vậy giá trị  đo được bằng thực nghiệm của chất điện li mạnh nhỏ hơn 1không phải là độ điện li thực của nó, nên được gọi là độ điện li biểu kiến

c) Hằng số điện li của chất điện li yếu

Xét sự điện li của chất điện li yếu AB:

AB A + B+ _

   

AB cb

B.A

[A+], [B-] và [AB] – nồng độ mol/l của các ion A+, B- và AB lúc cân bằng

 Mối quan hệ giữa hằng số điện li và độ điện li

Gọi C là nồng độ mol/l ban đầu của chất điện li yếu AB và  là độ điện li của

nó Thì C là nồng độ mol/l của AB phân li ra ion:

AB A + B+ _

t = 0 : C 0 0

t  0 : C - C C C

C 1

K C

C

C C K

Axit là hợp chất chứa H khi tan trong nước phân li ra cation H+

Bazơ là hợp chất chứa OH khi tan trong nước phân li ra anion OH-

 Thuyết Bronsted – Lowry

Axit là tiểu phân (phân tử, ion) có khả năng nhường proton (H+)

Bazơ là tiểu phân có khả năng nhận proton

O H

O H

&

COO CH

COOH CH

2

33



4.3.4- Tích số ion của nước

Nước điện li rất yếu theo phương trình:

H2O H + + OH - : theo arrhenius 2H2O H3O + + OH - : theo Bronsted - Lowry

18 2

2

OH

OH.OH

Lý luận tương tự cho môi trường kiềm ta có [H3O+] < [OH-] hay [H3O+] < 10-7

Để biểu thị độ axit hay độ kiềm của dung dịch người ta thường dùng chỉ số pHthuận lợi hơn: pH = -lg[H3O+]

Vậy: Môi trường axit: [H3O+] > 10-7 hay pH < 7

Môi trường trung tính: [H3O+] = 10-7 hay pH = 7

Môi trường kiềm: [H3O+] < 10-7 hay pH > 7

4.3.5- Hằng số điện li axit và hằng số điện li bazơ

 Hằng số điện li axit

Vì sự điện li của axit yếu là phản ứng thuận nghịch, nên có thể áp dụng các địnhluật của cân bằng hóa học cho nó Khi một axit yếu HA tan trong nước có cân bằng sau:

HA + H2O H3O + + A - : theo Bronsted - Lowry

AOH

NH

OH NH

Kb: hằng số điện li bazơ, đối với bazơ xác định nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

 Mối liên hệ giữa K a và K b của một cặp axit – bazơ liên hợp

Xét cặp axit – bazơ liên hợp NH4+ / NH3 Trong dung dịch có cân bằng sau:

NH4+ + H2O NH3 + H3O +

3 3 a

NH

O H NH

4 b

NH

OH NH

pH  6,5 đối với các axit

pH  7,5 đối với các bazơGiới hạn này cho phép ta bỏ qua nồng độ của H3O+ hoặc OH- do nước điện li ra

a) pH của dung dịch axit mạnh một nấc

Axit một nấc là axit mà một phân tử (hoặc ion) chỉ có thể nhường một H+ (theothuyết Bronsted – Lowry) hoặc chỉ có thể phân li ra một H+ (theo thuyết Arrhenius),chẳng hạn HCl, CH3COOH, NH4+

Xét dung dịch axit mạnh HCl nồng độ Ca mol/l, trong dung dịch pu như sau:

HCl + H2O H3O + Cl+

-Vì axit mạnh điện li hoàn toàn nên [H3O+] = Ca

Vậy: pH = -lgC a b) pH của dung dịch bazơ mạnh một nấc

Bazơ một nấc là bazơ mà một phân tử (hoặc ion) chỉ có thể nhận một H+ (theothuyết Bronsted – Lowry) hoặc chỉ có thể phân li ra một OH- (theo thuyết Arrhenius),chẳng hạn NaOH, CH3COO- , NH3

Xét dung dịch bazơ mạnh NaOH nồng độ Cb mol/l, trong dung dịch:

3

C

10 OH

10 O

Xét dung dịch axit yếu HAc Ca (mol/l)

CH3COOH + H2O CH3COO - + H3O +

t = 0 : Ca 0 0

t = 0 : x x x [ ] Ca - x x x

0 C K x K x x C

x x

Khi biết Ka và Ca sẽ tìm được x = [H3O+] với 0 < x < Ca

Nếu x nhỏ quá so với Ca (x  5%Ca) thì có thể coi Ca – x  Ca Từ đó:

a

a C K

x 

d) pH của dung dịch bazơ yếu một nấc

Xét dung dịch bazơ yếu NH3 Cb (mol/l)

x x

x 

e) pH của dung dịch muối

 Xét trường hợp dung dịch NH4Cl

NH4Cl  NH4+ + Cl

-Vì muối điện li hoàn toàn nên [NH4+] = [Cl-] = C mol/l

Ion Cl- là bazơ liên hợp của axit mạnh HCl, nên tính bazơ cực kì yếu, Cl- trungtính trong nước NH4+ là axit liên hợp của bazơ yếu NH3, nên nó là axit yếu:

NH4+ + H2O NH3 + H3O +

t = 0 : C 0 0

t = 0 : x x x [ ] C - x x x

x C

x

Ka 2





Cách giải tương tự như một axit yếu đã xét ở trên

 Xét trường hợp dung dịch CH3COOONa nồng độ mol/l

Vì muối điện li hoàn toàn nên [CH3COO-] = [Na+] = C mol/l

Ion Na+ là axit liên hợp của bazơ mạnh NaOH, nên tính axit cực kì yếu, Na+

trung tính trong nước Ion CH3COO- là bazơ liên hợp của axit yếu CH3COOH, nên nó làbazơ yếu:

CH3COO + H- 2O CH3COOH + OH

t = 0 : C 0 0

t = 0 : x x x [ ] C - x x x

-x C

x K

2 b





Cách giải tương tự như một bazơ yếu đã xét ở trên

 Xét trường hợp dung dịch CH3COONH4 nồng độ C mol/l