Tính chất và ứng dụng của dung dịch chất tan không điện li không bay hơi

Tính chất và ứng dụng của dung dịch chất tan không điện li không bay hơi

Đề tài : Tính chất và ứng dụng của dung dịnh chất tan không điện li không bay hơi

A.Mở đầu:

1.Lý do chọn đề tài:

Như ta đã biết dung dịch là một hệ đồng thể tạo bởi hai hay nhiều chất không theo một tỉ lệ xác định.Thông thường các chất ở dưới dạng hỗn hợp Việc biết tính chất của dung dịch quả là việc cần thiết vì thế chúng ta nghiên cứu dung dịch một trang thái thông thường của hóa chất Trong cuộc sống hằng ngày ta bắt gặp rất nhiều chất tan không điện li không bay hơi ví dụ như : dung dịch đường, dung dịch rượu,…Do kết quả tương tác xảy ra giữa các tiểu phân của chất tan và dung môi cũng như do sự giảm nồng độ các tiểu phân tử tự do của dung môi trong quá trình tạo thành dung dịch mà tích chất của chất tan dung môi thay đổi khác với dung dịch thu được.Điều này chứng minh rõ rằng với hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng thể tích,độ tăng nhiệt độ,hạ nhiệt độ đông đặc của dung dịch so với dung môi, khi nồng độ chất tan tăng, ảnh hưởng các yếu tố nói trên tăng mạnh làm cho tính chất của dung dịch phức tạp hơn Với các tính chất trên người ta đã ứng dung vào trong công nghiệp để chế tạo ra các sản phẩm như : nước rửa chén,nước lao sàn,nước giải khát,….Trong thực tế cung đã có nhiều tác giả nghiên cứu

về dung dịch chất tan không điện li khôn bay hơi như:”Nguyễn Văn Tấu,Đào Đình Thức, Lê Ngọc Tú,…”Với những lí do trên tôi quyết định chọn đề

tài:”Nghiên cứu về tính chất và ứng dụng của dung dịch chất tan không điện

li không bay hơi.”

2.Mục đích nghiên cứu

Tính chất và các ứng dụng của dung dịch chất tan không điện li không bay hơi vào trong đời sống

3.Phạm vi nghiên cứu.

Dung dịch chất tan không điện li không bay hơi

4.Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu tìm đọc các giáo trình

B.Nội dung

I.Dung dịch

1 Qúa trình hòa tan một chất – sự tạo thành dung dịch

Một chất ( dù là khí lỏng hay rắn ) khi phân bố vào một chất khác ta được

hệ phân tán.Hệ phân tán là những hệ trong đó có ít nhất một chất phân bố ( goi là chất phân tán ) vào một chất khác ( gọi là môi trường phân tán ) dưới dạng các hạt có kích thước nhỏ Các hệ phân loại có thể được phân loại theo trạng thái tập hợp của chất phân tán vào môi trường phân tán, hoặc theo kích thước của các hạt trong hệ phân tán, hoặc theo cường độ tuiwng tác của các hạt trong hệ phân tán…

Tùy vào trạng thái tập hợp của chất phân tán và môi trường phân tán ta sẽ

có các hệ phân tán sau (K=khi, L=lỏng, R=rắn)

K-K K-L K-R

L-K L-L L-R

R-K R-L R-R

Tuy nhiên do kích thước của hệ phân tán phụ thuộc rất lớn vào kích thước của các hạt nên sự phân loại theo kích thước các hạt là có ý nghĩa hơn cả -Dung dịch khí : ở áp xuất không cao lắm các khí có thể hòa tan không hạn chế vào nhau vì vậy các hỗn hợp khí đều là dung dịch khí

- Dung dịch rắn : khi các cấu tử hòa tan vào nhau tạo thành một pha rắn, loại dung dịch này thường chỉ tồn tai ở nồng độ xác định

- Dung dịch lỏng : dung môi là chất lỏng còn chất tan có thể là chất rawbs chất khí hoặc chất lỏng

- Cơ chế tạo thành của dung dịch:

Úa trình vật lí : úa trình chuyển pha ΔHcp , ΔScp

Úa trình hóa học : úa trình solvat hóa tương tác giữa chất tan và dung môi Tương tác giữa chất tan và dung môi là yếu tố hàng đầu uyết định sự tạo

thành dung dịch

2 Chất tan và dung môi

Như đã trình bày dung dịch là chất phân tán vào nhau.Chất đóng vai trò môi trường phân tán, gọi là dung môi Các chất còn lại đóng vai trò chất phân tán, gọi là chất tan Với định nghĩa này ta thấy ranh giới phân biệt giữa chất tan và dung môi là không rõ rệt

Thông thường dung môi là chất được hiểu có trạng thái tập hợp không thay đổi khi hình thành dung dịch nếu các chất ban đầu khác nhau về trạng thái, hoặc dung môi là chất chiếm lượng lớn khi tạo thành dung dịch nếu các

chất ban đầu cùng trạng thái Đôi khi người ta có thể sử dụng một tính chất

cụ thể nào đó để xác định dung môi

Ví dụ:Đối với các hệ rắn-lỏng, khí-lỏng thì dung môi là chất lỏng hoặc dung môi là chất kết tinh đầu tiên khi làm lạnh dung dịch

3 Độ tan

3.1 Khái niệm

Độ tan là nồng độ chất tan được vào dung dịch để tạo ra một dung dịch bão hòa ở một nhiệt độ xác định

Ở một nhiệt độ nhất định độ tan của một chất trong một dung môi được xác định bằng nồng độ của dung dịch bão hòa của chất đó

Thông thường độ tan của chất rắn trong một chất lỏngđược biểu thị bằng

số mol chất tan có trong một lit dung dịch

Đối với chất khí tan trong chất lỏng thì độ tan được biểu diễn bằng thể tích chất khí bão hòa trong một thể tích xác định của dung môi Độ tan là mối

uan hệ định lượng giữa dung môi và chất tan trong dung dịch bão hòa

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan

Áp xuất

Áp xuất tỉ lệ thuận với độ tan chất khí trong chất lỏng

Ta có biểu thức Henry: P= KH-1.C

KH: là hằng số Henry

C: là nồng độ của khí tan trong dung dịch

Vd: Một loại nước giải khát đóng nắp ở 25oC chứa khí CO2 với áp xuất trên

bề mặt dung dịch là 5atm Nếu áp xuất riêng phần của CO2 trong khí quyển

là 4.10-4atm, hãy tính nồng độ CO2 trong dung dịch trước và sao khi mở nắp Hằng số Henry của CO2 trong dung dịch là 32atm/mol ở 25oC

Áp dụng định luật Henry

PCO2=K.CCO2

(K=32atm/mol, PCO2=5atm)

CCO2=PCO2 ÷ K = 5÷32=0,16 mol/l

Khi mở nắm, CO2 trong dung dịch thoát ra và đạt đến trạng thái cân bằng với áp xuất của CO2 trong khí quyển là:

CCO2=(4.10-4)÷ 32 =1,2.10-5 mol/l

Nhiệt độ

Đối với chất tan là chất khí

Chất khí hòa tan thể hiện những ứng sử phức tap hơn theo nhiệt độ.Khi nhiệt độ tăng, khí thường trở nên ít hòa tan trong nước, nhưng hòa tan nhiều hơn trong các dung môi hữu cơ

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ tan củ các chất khí có ý nghĩa uan trọng

về mặt môi trường Vấn đề này được thái rõ khi một lượng nước được sử

dụng làm nguội trong các yu trình công nghiệp, sau khi sử dụng sẽ bị nóng

lên và được thải trở lại sông hồ Do nóng hơn nên nước sẽ chứa ít lượng 02

hòa tan hơn, điều này làm phá vở cân bằng hấp thụ 02, làm giảm 02 hòa tan trong nước và do vậy sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sống của các sinh vật trong môi trường nước

Đối với chất tan là chất rắn

Độ tan sẽ tăng theo nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ vá áp xuất đến độ tan

Độ tan còn phụ thuộc vào bản chất của dung môi và bản chất của chất tan Trong bảng một chỉ ra được độ tan của một số chất trong cùng một dung môi là nước.Còn trong bảng 2 chỉ ra được độ tan của một chất KI trong các dung môi khác nhau

Bảng 1 độ tan của một vài chất trong nước ở 20oC

Chất Độ tan (g/100g H2O) CaI2 209

C6H12O6 200

NaCl 36

CaCO3 0,0013

Bảng 2 độ tan của KI trong các dung môi khác nhau ở 20oC

Dung môi Độ tan ( 0/0 khối lượng )

3.3 Dung dịch chưa bão hòa

Xét thí nghiêm sau:

Hòa tan đường vào nước, đường đóng vai trò là chất tan, nước đóng vai trò

là dung môi Nếu lượng đường tăng trong nước ít, ta có dung dịch đường loãng Nếu lượng đường tan trong nước thật nhiều, ta có dung dịch nước đường đâm đặc.Vậy ta có thể hiểu

Dung dịch loãng là dung dịch chứa một lượng ít chất tan

Dung dịch đậm đặc là dung dịch chứa một lượng lớn chất tan

Nếu tiếp tục thêm đường vào dung dịch, ta thấy đường tiếp tục tan ra, dung dịch bấy giờ sẽ chứa một lượng đường nhiều hơn ban đầu

Vậy dung dung dịch chưa bão hòa mà dung dịch mà chất tan có thể tiếp tục tan

3.4 Dung dịch bão hòa

Ta tiếp tục các thí nghiệm trên thêm đường vào dung dịch, đến một lúc nào

đó ta thấy đường không thể hòa tan thêm được nữa ở một nhiệt độ xác định Lúc này ta có dung dịch nước đường bão hòa và lượng đường có trong dung dịch bằng độ tan của nó

Dung dịch bão hòa là dung dịch mà chất tan không thể tan thêm được nữa

ở một nhiệt độ xác định

3.5 Dung dịch ua bão hòa

Bây giờ nếu ta nâng nhiệt độ dung dịch ở thí nghiệm trên lên cao hơn, đường sẽ tiếp tục hòa tan Khi làm nguội dung dịch về nhiệt độ t1 ban đầu thì lượng đường dư so với độ tan ở nhiệt độ t1 sẽ kết tinh tách ra khỏi dung dịch và có sự hình thành trở lại dung dịch bão hòa

Dung dịch ua bão hòa là dung dịch chứa một lượng lớn chất tan.

4 Áp suất hơi bão hòa của dung dịch

Áp suất P, ở đó chất lỏng hoặc chất tan cân bằng với hơi của nó ở nhiệt độ

xác định Khi áp suất hơi bảo hòa bằng áp suất khí uyển thì chất lỏng sôi

Trong sự thăng hoa, áp suất hơi bão hòa là áp suất ở đó chất rắn cân bằng với hơi của nó Nếu áp suất hơi chưa tới giá trị áp suất hơi bão hòa thì hơi gọi là hơi khô, các phần tử chất lỏng tiếp tục bay hơi Áp suất hơi bão hòa là hàm đồng biến của nhiệt độ

Ví dụ: Nước có P=17,5 mmHg ở 200C, P=760 mmHg (1 atm) ở 1000C, P=2 atm ở 1200C, P=4 atm ở 1430C

Với một chất lỏng áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng

Ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các chất khác nhau là khác nhau

II Dung dịch không điện li

1 Áp xuất hơi của dung dịch

Các dung dịch lỏng có áp xuất hơi khác đáng kể so với dung môi tinh

chất.Để hiểu được tính chất này chúng ta xem xét thí nghiêm sau

Hình 5.4

Có 2 cốc một cốc đựng nước tinh chất và một cốc đựng dung dịch nước đường, đặt trong một chauauj thủy tinh như hình 5.4 Sau một thời gian ta thấy thể tích của nước giảm và thể tích nước đường tăng

Điều này chỉ có thể giải thích được khi áp xuất hơi của dung môi tinh chất phải lớn hơn áp xuất hơi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nghĩa

là nếu 2 bình độc lập nhau thì khi cân bằng lỏng hơi được thiết lập áp xuất hơi tạo ra trên bề mặt dung môi tinh chất phải lớn hơn áp xuất hơi tạo ra trên bề mặt dung dịch Do đó trong một hệ kính 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 xuất hơi trên bề mặt dung dịch Sự hấp thụ hơi dung môi trên bề mặt dung dịch làm giảm áp xuất hơi dung môi của dung dịch trong hệ Để đạt cân bằng lỏng hơi trở lại dung môi tinh chất phải bốc hơi thêm, do đó cân bằng lỏng hơi của dung môi tinh chất phải dịch chuyển teo chiều làm tăng áp xuất hơi của dung môi tinh chất, kết quả là xảy ra sự chuyển dung môi tinh chất sang dung dịch

Sự hiện diện của chất tan trong dung dịch làm giảm số phân tử dung môi tự

do giảm khả năng hóa hơi của dung môi

Các nghiên cứu về áp xuất hơi của dung dịch lỏng lý tưởng chứa chất tan không bay hơi được thực hiện bởi Francois M.RaouIt

Định luật RaouIt 1

Khi chuyển từ dung môi nguyên chất sang dung dịch chất tan không điện li không bay hơi áp xuất hơi bảo hòa giảm xuống

P1=PO.N1

P1 : Áp xuất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch

PO : Áp xuất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất

N1 : nồng độ phần mol của dung môi trong dung dịch

Vd: Tính áp xuất hơi của dung dịch được tạo thành bằng cách hòa tan 150g đường Saccaroz (M=342,3g) trong 643,5cm3 nước ớ 25oC.Biết ở 25oC khối lượng riêng của nước tinh chất là 0,9971g/cm3 và áp xuất hơi của nước tinh chất là 23,76 mmHg

Giải

Số mol đường = 158÷342,3=0,4616 mol Khối lượng nước = 643,5 × 0,9971 = 641,6 g

Số mol nước =641,6 ÷ 18 = 35,63 mol

N1 =35,63 ÷ (35,63 + 0,4616) = 0,9872

P1 = 0,9872 × 23,76 = 23,46 mmHg Định luật Raout 2

ở môt nhiệt độ xác định độ giảm tương đối áp xuất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch chất tan không điện li không bay hơi bằng nồng độ phần mol của chất tan

Giả sử dung dịch chỉ có một chất tan và một dung môi

Ta có công thức

N2 = ∆P ÷ PO

(∆P ÷ PO) : độ giảm tương đối

N2 : nồng độ phần mol của chất tan

1 Độ tăng nhiệt độ sôi

Nhiệt độ sôi bình thường của một chất lỏng được định nghĩa là nhiệt độ lúc

áp xuất hơi của chất lỏng đat được 1atm 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 môi tinh chất mới có thể đạt được

áp suất 1atm Điều này có nghĩa là chất tan không bay hơi làm tăng nhiệt độ sôi của dung môi Mức độ gia tăng nhiệt độ sôi phụ thuộc vào nồng độ của chất tan trong dung dịch Đối với các dung dịch loãng mối quan hệ đó được biểu diễn bằng phương trình:

∆T =Ks.mct

Ks : hằng số nghiệm sôi

Mct : nồng độ mol của chất tan trong dung dịch

) dm ( T )

ddlpt

(

Ts > s

Nhiệt độ sôi của dung dịch lỏng phân

tử cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất

Dựa vào độ tăng nhiệt độ sôi so với dung môi nguyên chất ta có thể xác

định phân tử lượng của chất tan trong dung dịch

Dung môi Nhiệt độ sôi

(oC) Ks

oC Kg/mol Nhiệt độ Kđ oC Kg/mol

1 Độ hạ nhiệt độ đông đặc ( hay còn gọi là hạ băng điểm )

Người ta định nghĩa nhiệt độ đông đặc của một chất lỏng là nhiệt độ mà lúc

đó áp xuất hơi của pha lỏng bằng áp xuất hơi của pha rắn, củ thể đối với

nước tinh chất có nhiệt độ đông đặc là 0oC ứng với áp xuất hơi bảo hòa của nước đá và nước lỏng là 0,006atm Việc hòa tan chất tan vào nước làm cho dung dịch có nhiệt độ đông đặc thấp hơn nước tinh chất, bởi vì sự hiện diện của chất tan trong nước sẽ làm cho áp xuất hơi của nước rong dung dịch

thấp hơn áp xuất hơi của nước đá, do đó tại nhietj độ này dung dịch không

thể đông đặc vì không có sự bằng nhau của áp xuất hơi giữa pha lỏng và

pha rắn Nếu ta hạ nhiệt độ, áp xuất hơi của pha rắn giảm nhanh hơn pha

lỏng, kết quả sẽ dẫn đến sự cân bằng áp xuất hơi của 2 pha lỏng và rắn lúc này dung dịch sẽ đông đặc

-Băng điểm là hiện tượng hóa rắn xảy ra trong lòng chất lỏng

Điều kiện : áp xuất khí trên bề mặt lỏng bằng áp xuất khí trên bề mặt rắn

Ta có công thức sau:

∆T = Kb CM

∆T : độ hạ nhiêt độ đông đặc của dung dịch so với dung môi nguyên chất

Kd : hằng số nghiệm lạnh

CM : nồng độ mol của chất ta

Ta có thể rút ra được một kết luận

Nhiệt độ đông đặc của dung dịch chứa chất tan không bay hơi luôn luôn thấp hơn nhiệt độ đông đặc của dung môi nguyên chất

1 Áp suất thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu là áp suất cần phải tác dụng lên một dung dịch để thế nhiệt động của nó lấy lại giá trị mà nó có đối với dung môi tinh khiết

Ta xét thí nghiệm sau đây: một ống thủy tinh hình chữ U được ngăn cách bởi một màng bán thấm ở giữa ( màng bán thấm là một loại màng ngăn có tính chất đặc biệt là chỉ cho các phân tử dung môi

thấm ua nhưng không cho các phân tử chất tan thấm ua) Cho vào

hai bên ống thể tích bằng nhau của dung môi tinh chất và dung dịch chứa chất tan Sau một thời gian thể tích của dung dịch tăng còn thể

tích của dung môi giảm ÚA trình chuyển dung môi tinh chất sang dung dịch thông ua màng bán thấm được gọi là sự thẩm thấu.

Màng bán thấm.

Định luật Vant- Hoff về áp xuất thẩm của dung dịch chất tan không điên li không bay hơi ( năm 1886) thỏa phương trình

Π = C.R.T

C : nồng độ mol của dung dịch

R : hằng số khí

T : nhiệt độ tuyệt đối ( oK)

Π : áp xuất thẩm thấu của dung dịch (atm)

Áp xuất thẩm thấu của dung dịch bằng áp xuất gây bởi chất tan, nếu như ở cùng nhiệt độ chất tan nằm ở trạng thái khí và chiếm một thể tích bằng thể tích dung dịch Định luật này chỉ áp dụng cho dung dịch loãng chứa chất tan không điện li không bay hơi vì khi đó không có sự tương tác giữa các chất

Áp xuất thẩm thấu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất tan Vđo áp xuất thẩm thấu cũng được sử dụng để xác định khối lượng của phân tử chất tan

Vd : Hòa tan 10-3g protein vào nước và chỉnh đến thể tích 1ml Dung dịch thu được có áp xuất thẩm thấu là 1.12mmHg ở 25oC Tính khối lượng phân

tử của protein

Giải

Π = 1,12 ÷ 160 = 1,47.10-3 atm

R = 0,082 atm/oK.mol

T = 25 + 273 = 298oK

C = 1,47.10-3 ÷ ( 0,082×298) = 6,02.10-5 mpl/l Khối lượng phân tử = 10-3 ÷ ( 6,02.10-5 ) = 1,66.104

III Ứng dụng của dung dịch chất tan không điên li không bay hơi

1.Ứng dụng trong đời sống