Bảng Các trạng thái tập hợp của dung dịch Trạng thái của dung dịch Trạng thái của chất tan Trạng thái của dung môi Ví dụ Khí Lỏng Rắn Lỏng Rắn Khí Lỏng Rắn Rắn Khí Khí Lỏng Rắn Lỏng Rắn
Trang 1BÀI: DUNG DỊCH
I/ NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ DUNG DỊCH
1/ Khái niệm chung về dung dịch:
Dung dịch là một trạng thái của các chất có cấu trúc và tính chất đặc trưng riêng
Dung dịch là các hệ phân tán nhưng không phải hệ phân tán nào cũng là dung dịch
1.1/ Hệ phân tán
a/ Định nghĩa:
Hệ phân tán là những hệ trong đó có ít nhất một chất phân bố ( gọi là chất phân tán ) vào một chất khác ( gọi là môi trường phân tán) dưới dạng các hạt có kích thước nhỏ
b/ Phân loại:
Theo trạng thái tập hợp của chất phân tán vào môi trừong phân tán sau ( K = khí, L = lỏng, R = rắn)
K – K K – L K – R L – K L – L L – R R – K R –L R –R
Theo kích thước của các hạt trong hệ phân tán
Hệ phân tán thô: Kích thước của các hạt 10-5 – 10-2 cm, tùy thuộc trạng thái của chất phân tán mà người ta phân biệt dạng huyền phù hay nhũ tương
Dạng huyền phù: thu được khi có sự phân bố hạt chất rắn trong chất lỏng, ví dụ các hạt sét lơ lững trong nước
Dạng nhũ tương: Thu được khi có sự phân bốhạt chất lỏng trong chất lỏng, ví dụ sữa là
hệ nhũ tương điển hình gồm các hạt lơ lững trong chất lỏng
Các hệ phân tán thô không bềnvì các hạt phân tán có kích thước quá lớn so với các phân
tử, ion nên dễ dàng lắng xuống
Hệ phân tán cao ( hệ keo): các hạt phân tán có kích thước 10-5 – 10-7 cm
Ví dụ cho loại hệ này là gelatine, keo dán, sương mù, khói Các hệ keo cũng không bền ví các hạt keo dễ liên hợp với nhau thành hạt có kích thước lớn và lắng xuống
Hệ phân tán phân tử ion: các hệ phân tán có kích thước <10-7 cm Nên hệ phân tán trở thành đồng nhất về thành phần, cấu tạo và tính chất trong toàn bộ thể tích của hệ cũng như làm cho hệ rất bền Ví dụ: dung dịch muối, dung dịch đường, …
Bảng Phân loại hệ phân tán theo kích thước của tiểu phân
Hệ Kích thước tiểu phân
Đơn vị cm
Độ bền theo thời gian Ví dụ
Hệ phân tán thô
- Huyền phù
- Nhũ tương
Hệ keo
Dung dịch
>10-5
10-5 – 10-7
<10-7
Không bền
Không bền Bền
Hạt sét lơ lững trong nước Sữa
Keo dán NaCl tan trong nước
1.2/ Dung dịch
a/ Định nghĩa
Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng thay đổi trong một giới hạn rộng
b/ Phân loại:
Về mặt trạng thái tập hợp, dung dịchcó thể ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn
Trang 2- Dung dịch khí: chất tan và dung môi là chất khí.
- Dung diịch rắn: chất tan là chất rắn lỏng hoặc khí, và dung môi là chất rắn
- Dung dịch lỏng: chất tan là khí, lỏng hay khí và dung môi là chất lỏng
Bảng Các trạng thái tập hợp của dung dịch
Trạng thái của dung dịch Trạng thái của chất tan Trạng thái của dung môi Ví dụ
Khí
Lỏng
Rắn
Lỏng
Rắn
Khí Lỏng Rắn Rắn Khí
Khí Lỏng Rắn Lỏng Rắn
Không khí Rượu trong nước Thép
Nước đường H2 tan trong Pt
1.3/ Thành phần của dung dịch
a/ Nồng độ phần trăm khối lượng (%):
Số gam chất tan trong 100g dung dịch
C% =
Ví dụ: Dung dịch NaOH 20% nghĩa là cứ 100g dung dịch thì có 20g NaOH
b/ Phân mol
Là tỷ lệ giữa chất nào đó với tổn số mol của các chất trong dung dịch Đối với dung dịch tạo thành từ hai chat61 A, B với số mol tương ứng là NA, NB, ta có biểu thức phân mol như sau:
c/ Nồng độ Molan (m)
Số mol chất tan có trong 1kg hoặc 1000g dung môi
Với nct là số mol có trong lượng dung môi là mdm
d/ Nồng độ mol
Số mol chất tan có trong 1 lit dung dịch
e/ Nồng độ đương lượng
Một loại nồng độ được sử dụng để tính toán trong các phương pháp phân tích thể tích, được định nghĩa là số đương lượng gam của chất tan trong một lit dung dịch Từ nồng độ mol ta có thể dễ dàng tình được nồng độ đương lượng theo biểu thức:
CN = γ CM
γ là số đương lượng gam ứng với 1 mol chất tan
Ví dụ 1: ta có dung dịch 0,5M H2SO4 1 mol H2SO4 ứng với số đương lượng gam là 2
Do đó CN = 2 0,5 = 1N
Ví dụ 2: Dung dịch H2SO4 3,75M, có khối lượng riêng là 1,230g/ml Tính nồng độ %, nồng độ molan và nồng độ đương lượng của H2SO4 trong dung dịch trên
Giải:
Khối lượng của 1 lit dung dịch : 1000 x 1,230 = 1230g
Khối lượng của H2SO4 trong một lit dung dịch: 3,75 x98 = 360 368g
Khối lượng của H2O trong một lit dung dịch: 1230 – 368 = 862g
Do đó:
1.4/ Tương tác giữa chất tan và dung môi
a/ Nhiệt hòa tan:
Trang 3Là lượng nhiết thu vào ay thoát ra khi hòa tan một mol chất tan được gọi là nhiệt hòa tan
Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm ba bước:
Bước 1: Phá vỡ cấu trúc của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt Quá trình này đặc trưng bằng giá trị ∆H1 Thông thường ∆H1 có dấu (+)
Bước 2: Phá vỡ liên kết liên phân tử giiữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng trống cho các tiểu phân chất tan xâm nhập Quá trình đặc trưng ∆H2 Trong đa số trường hợp
∆H2 có dấu (+)
Bước 3: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử của dung môi để tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa Quá trình này đặc trưng bằng giá trị
∆H3 và có dấu (-) Nhiệt hòa tan của dung dịch ký hiệu ∆Hht, chính là tổng ba giá trị trên:
∆Hht = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3
Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ∆Hht có thể (+) hoặc (- )hay nói cacch1 khác quá trình hòa tan thu nhiệt hay tỏa nhiệt
Đối với quá trình hòa tan NaCl trong nước, giá trị ∆H1 phải có giá trị lớn và có dấu (+)
do phải tốn nhiều năng lượng để bẻ gãy lực hút giữa các ion trong tinh thể Giá trị ∆H3 cũng rất lớn và có dấu (-) vì xảy ra tương tác rất mạnh giữa các ion Na+ và Cl- với các phân tử H2O
NaCl (r) Na+ (l) + Cl- (l) ∆H1 = 786 KJ/Mol
H2O (l) + Na+ (l) + Cl -(l) Na+ (H2O) + Cl – (H2O) ∆H1 + ∆H2 = -783 KJ/Mol
Suy ra nhiệt hòa tan NaCl trong H2O là:
∆Hht = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 = 3KJ/ Mol
Về mặt nhiệt động học, một quá trình đòi hỏi cung cấp năng lượng càng lớn thì càng khó xảy ra Quá trình hòa tan NaCl vào nước chỉ đòi hỏi một năng lượng tương đối nhỏ, do đó có thể xảy ra một cách tự nhiên
II/ TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH KHÔNG ĐIỆN LY
Do kết quả tương tác xảy ra giữa các tiểu phân của chất tan và dung môi, cũng như do sự giảm nồng độ của các tiểu phân tự do của dung môi trong quá trình tạo thành dung dịch mà tính chất của chất tan, dung môi thay đổi và khác với tính chất của dung dịch thu được Điều này được chứng minh rõ ràng với hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng thể tích, độ tăng nhiệt độ sôi, hạ nhiệt độ đông đặc của dung dịch so với dung môi tinh chất
Khi nồng độ của chất tan tăng, ảnh hưởng của các yếu tố nói trên tăng mạnh làm cho tính chất của dung dịch trở nên phức tạp hơn Việc nghiên cứu tính chất của dung dịch đó rất khó,
do đó, đến nay vẫn chưa có lý thuyết định lượng đối với dung dịch có nồng độ cao
Đối với dung dịch có nồng độ chất tan nhỏ, đặc biệt ở những nồng độ rất nhỏ, các ảnh hưởng của các yếu tố nói trên có thể bỏ qua, do đo dung dịch trở thành gần như lý tưởng, nghĩa là không có hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng thể tích Trong những trường hợp như vậy tính chất của dung môi hầu như không thay đổi, còn tính chất của dung dịch thì có một số thay đổi phụ thuộc bản chất chất tan, ví dụ như sự thay đổi màu sắc, nhưng một số tính chất khác chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất tan như áp suất hơi bão hòa, nhiệt độ sôi, nhiệt độ dông đặc,
áp suất thẩm thấu
1/ Áp suất hơi của dung dịch
Các dung dịch lỏng có áp suất hơi khác đáng kể so với dung môi tinh chất Để hiểu được
sự ảnh hưởng này chúng ta xem xét thí nghiệm sau:
Trang 4Có hai cốc: một cốc đựng nước tinh chất và một cốc đựng dung dịch nước đường, đặt trong một chậu thủy tinh như hình vẽ Sau một thời gian ta thấy thể tích nước giảm còn thể tích của dung dịch nước đường tăng
Điều này chỉ có thể giải thích dược khi áp suất hơi của dung môi tinh chất phải lớn hơn
áp suất hơi của dung dịchchất tan không bay hơi, nghĩa là hai bình độc lập nhau thì khi cân bằng lỏng hơi được thiết lập áp suất hơi tạo ra trên bề mặt dung môi tinh chất phải lớn hơn
áp suất hơi tạo ra trên bề mặt dung dịch
Do đó trong một hệ kín sự hóa hơi mạnh của dung môi tinh chất làm cân bằng lỏng hơi của dung dịch bị dịch chuyển theo chiều dung dịch phải hấp thụ hơi để làm giảm áp suất hơi trên bề mặt của dung dịch Sự hấp thụ hơi dung môi trên bề mặt dung dịch làm giảm áp suất hơi của dung môi trong hệ Để đạt cân bằng lỏng hơi trở lại dung môi tinh chất phải bốc hơi thêm, do đó cân bằng lỏng hơi cuảa dung môi tinh chất bị dịch chuyển theo chiều làm tăng
áp suất hơi của dung môi tinh chất, kết quả là xảy ra sự chuyển dung môi chất sang dung dịch
Sự hiện diện của chất tan trong dung môi làm giảm số phân tử dung môi tự do trong một đơn vị thể tích, do đó làm giảm số phân tử dung môi trên bề mặt và do đó giảm khả năng hóa hơi của dung môi
Các nghiên cứu về áp suất hơi của dung dịch lỏng lý tưởng được thực hiện bởi Francois M.Raoult và được công thức hóa như sau:
Pdd = Xdm Podm
Trong đó:
Pdd: áp suất hơi của dung dịch
Xdm: phân mol của dung môi trong dung dịch
Podm: áp suất hơi của dung môi tinh chất
Các ví dụ:
Vd1: Tính áp suất hơi của dung dịch được tạo thành bằng cách hòa tan 158,0g đường sacaro (M = 342,3g ) trong 643,5 cm3 nước ở 25oC, biết ở 25oC, khối lượng riêng của nước tinh chất là 0,9971g/cm3 và áp suất hơi của nước tinh chất là 23,76mmHg
Giải:
Số mol đường= =
Khối lượng của nước =
Vd2: Một dung dịch được điều chế bằng cách hòa tan 20,0g Ure vào 125g nước ở 25oC
Áp suất hơi của dung dịch đo được ở 25oC là 22,67mmHg Xác định phân tử lượng của Ure biết áp suất hơi của nước tinh chất ở 25oC là 23,67mmHg
Vd3: Dự đoán áp suất hơi của dung dịch được điều chế bằng cách hòa tan Na2SO4 vào 175g H2O ở 25oC, biết áp suất hơi của tinh chất ở 25oC là 23,76mmHg?????????
Trang 52/ Độ tăng nhiệt độ sôi
Nhiệt độ sôi bình thường của một chất lỏng được định nghĩa là nhiệt độ lúc đó áp suất hơi của chất lỏng đạt được 1 atm Các chất tan không bay hơi làm giảm áp suất hơi của dung dịch, do đó dung dịch phải được đun nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của dung dịch tinh chất mới có thể đạt được áp suất 1 atm Điều đó có nghĩa là chất tan không bay hơi làm tăng nhiệt độ sôi của dung môi Mức độ gia tăng nhiệt độ sôi phụ htuộc vào nồng độ của chất tan trong dung dịch Đối với các dung dịch loãng mối quan hệ đó được biuể diễn bằng phương trình:
∆T = ks.mct
Với: T: độ tăng nhiệt độ sôi so với dung môi tinh chất
ks: gọi là hằng số nghiệm sôi phụ thuộc vào bản chất dung môi
mct: nồng độ molan của chất tan trong dung dịch
Bảng giá trị Ks và Kd của một số dung môi khác nhau
Dung môi Nhiệt độ sôi (C) KsoC.Kg/mol Nhiệt độ KdC.Kg/mol
Nước
CCl4
CHCl3
C6H6
CS2
Ete etylic
100,0 76,5 61,2 80,1 46,2 34,5
0,51 5,03 3,63 2,53 2,34 2,02
0 -22,99 63,5 5,5 -111,5 116,2
1,86 3,00 4,70 5,12 3,83 1,79
Dựa vào độ tăng nhiệt độ sôi so với dung môi tinh chất ta có thể xác định được phân tử lượng của chất tan trong dung dịch
Dựa vào độ tăng nhiệt độ sôi so với dung dịch tinh chất ta có thể xác định được phân tử lượng của chất tan trong dung dịch
Ví dụ: một dung dịch được điều chấ bằng cách hòa tan 18,00g Gluco trong 150g nước Dung dịch có nhiệt độ sôi là 100,34oC, xác định phân tử lượng của Gluco, biết hằng số nghiệm sôi của nước là 0,51oC.kg/mol
3/ Độ hạ nhiệt độ đông dặc
Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ mà lúc đó áp suất hơi của pha lỏng bằng áp suất hơi của pha rắn
Ví dụ: Với nước tinh chat61 có nhiệt độ đông đặc là 0oC ứng với áp suất bảo hòa của nước đá và nước lỏng là 0,006atm Việc hòa tan chất tan sẽ làm cho dung dịch có nhiệt độ đông đặc thấp hơn nước tinh chất, bởi vì sự hiện diện của chất tan sẽ trong nước sẽ làm cho
áp suất hơi của nước trong dung dịch thấp hơn áp suất hơi của nước đá, do đó tại nhiệt độ này dung dịch không thể đông đặc vì không có sự cân bằng áp suất hơi giữa pha lỏng và pha rắn Nếu ta giảm nhiệt độ, khi cân bằng áp suất hơi giữa hai pha lỏng và rắn và lúc này dung dịch sẽ đông đặc
Giản đồ
Từ giản đồ ta có thể kết luận: sự hiện diện của chất tan không bay hơi sẽ làm mở rộng khoảng nhiệt độ mà dung dịch tồn tại ở trạng thái lỏng- cũng giống như độ tăng nhiêt độ
sôi-độ hạ nhiệt sôi-độ đông đặc của dung dịch so với dung môi tinh chất phụ thuộc vào nồng sôi-độ của
Trang 6chất tan, phương trìng biểu diễn sự liên hệ, đối với dung dịch loãng, cũng có dang tương tự
và cũng được dùng để xác định phân tử lượng của các chất tan
∆T = kd.mct
Với: T: độ tăng nhiệt độ đông đặc của dung dịch so với dung môi tinh chất
kd: gọi là hằng số nghiệm đông phụ thuộc vào bản chất dung môi
mct: nồng độ molan của chất tan trong dung dịch