II. ÐỊNH LUẬT DỜI ÐỔI MỨC CÂN BẰNG LE CHÂTELIER
3.Tương tác giữa chất tan và dung môi a) Nhiệt hòa tan
a). Nhiệt hòa tan
Khi hòa tan NaOH vào nước ta thấy dung dịch nóng lên, ngược lại khi hòa tan urê vào nước thì ta lại thấy dung dịch lạnh đi. Ðiều này chứng tỏ khi hòa tan chất tan vào dung môi không chỉ đơn thuần xảy ra quá trình khuếch tán các tiểu phân chất tan vào các tiểu phân của dung môi, mà còn xảy ra quá trình tương tác giữa các tiểu phân đó với nhau. Những lực tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và dung môi cũng chính là những lực tương tác quyểt định trạng thái tập hợp của các chất. Chúng có bản chất vật lý như lực hút tĩnh điện, lực Van Der Waals... Hoặc bản chất hóa học như tương tác cho-nhận, lực liên kết hydro... Các lực tương tác thứ nhất gắn liền với các quá trình vật lý và chỉ thể hiện trên những khoảng cách lớn hơn kích thước phân tử. Những lực tương tác thứ hai được thực hiện trên những khoảng cách gần với sự tham gia của các obitan nguyên tử và phân tử.
Sự khuếch tán các tiểu phân chất tan vào dung môi là nguyên nhân làm cho nồng độ dung dịch đồng đều trong toàn bộ thể tích dung dịch.
Trong trường hợp tổng quát các quá trình vật lý bao gồm các quá trình phá vỡ mạng tinh thể, quá trình khuếch tán chất tan vào dung môi,... Gọi chung là quá trình chuyển pha.
Quá trình hóa học bao gồm tất cả các quá trình tương tác để tạo thành những hợp chất có thành phần thay đổi giữa chất tan và dung môi được gọi là sự solvat hóa, nếu dung môi là nước thì được gọi là sự hidrat hóa.
Trong đa số trường hợp các quá trình vật lý thường tương ứng với quá trình thu nhiệt, còn các quá trình hóa học thường ứng với quá trình tỏa nhiệt. Tùy chất tan và dung môi, cũng như tùy nhiệt độ và áp suất mà một trong hai quá trình sẽ chiếm ưu thế, kết quả dẫn đến là quá trình hòa tan sẽ tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
Người ta định nghĩa Lượng nhiệt thu vào hay phát ra khi hòa tan một mol chất tan được gọi là nhiệt hòa
tan.
Ðể hiểu rõ hơn ta xét trường hợp hòa tan chất rắn vào dung môi lỏng, ví dụ hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 3 bước:
Bước 1 Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt. Quá trình này đặc trưng bằng giá trị
Bước 2 Phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng trống cho các tiểu phân của các chất tan xâm nhập. Quá trình được đặc trưng bằng
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
Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị có thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt.
Ðối với quá trình hòa tan NaCl trong nước, giá trị phải lớn và có dấu (+) do phải tốn nhiều năng lượng để bẻ gãy lực hút giữa các ion trong tinh thể. Giá trị cũng rất lớn và có dấu (-) vì xảy ra tương tác rất mạnh giữa các ion với các phân tử H2O.
Từ đây ta có nhiệt hòa tan NaCl trong nước là:
Về mặt nhiệt động học, một quá trình nếu 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. Giá trị chính là biến đổi entalpi của quá trình hòa tan.
Tuy nhiên ở đây chưa thể giải thích được tại sao NaCl tan tốt trong nước. Theo nguyên lý II của nhiệt động lực học một quá trình xảy ra tự nhiên là một quá trình tiến đến một trạng thái xáo trộn cao hơn. Do đó NaCl tan tốt vì tuy phải cung cấp một năng lượng nhỏ nhưng trạng thái dung dịch đạt độ xáo trộn lớn hơn rất nhiều so với ban đầu, kết quả là có sự hình thành dung dịch NaCl khi hòa tan NaCl vào nước. Các kết quả thu được ở đây hoàn toàn phù hợp với qui luật kinh nghiệm về độ tan là <Các chất có cùng tính phân cực thì hòa tan tốt vào nhau>.
Bảng 5.3. Yếu tố năng lượng của quá trình hình thành dung dịch từ các chất tan và dung môi khác nhau
Bản chất của các chất DH1 DH2 DH3 Kết quả Dung môi phân cực-chất
tan phân cực (+) lớn (+) lớn (-) lớn nhỏ Hình thành dung dịch
Dung môi phân cực-chất tan không phân cực
(+) nhỏ (+) lớn (-) nhỏ (+) lớn Khó hình thành dung dịch
Dung môi không phân cực- chất tan không phân cực
(+) nhỏ (+) nhỏ (-) nhỏ nhỏ Hình thành dung dịch
Dung môi không phân cực-
chất tan phân cực lớn (+) nhỏ (+) nhỏ (-) (+) lớn Khó hình thành dung dịch
b). Dung dịch lý tưởng
Khi khảo sát quá trình hòa tan về phương diện động lực học như đã trình bày người ta nhận thấy có những trường hợp mà dung dịch được hình thành với . Ðó là trường hợp khi hòa tan vào nhau các chất không cực và giống nhau về cấu trúc, liên kết hóa học, ví dụ như pental và hexan. Trong những dung dịch như thế lực tương tác của những phân tử cùng loại và khác loại giống nhau. Những dung dịch như vậy được gọi là dung dịch lý tưởng. Ðộng lực duy nhất để đưa đến sự hình thành các dung dịch lý tưởng chính là sự gia tăng độ xáo trộn, tức gia tăng entropy của dung dịch với các chất riêng lẻ ban đầu. Ðối với dung dịch lý tưởng tính chất của dung dịch không phụ thuộc vào bản chất của chất tan mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chúng.
c). Ảnh hưởng của cấu trúc chất tan đến độ tan
Như đã đề cập <chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau>, mà sự sự phân cực của một chất được xác định bởi cấu trúc của nó, do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mói quan hệ xác định. Các vitamin là những ví dụ tiêu biểu cho thấy ảnh hưởng của cấu trúc đến độ tan.
Ta có thể phân vitamin ra làm hai nhóm chính: tan trong dầu (vitamin A, D, E, K) và tan trong nước (vitamin B, C). Vitamin A được cấu tạo chủ yếu bởi C và H, có ái lực electron tương đương nhau nên trong phân tử không xảy ra sự phân cực liên kết đáng kể và do đó là chất không phân cực. Ðiều này cho thấy chúng dễ dàng tan trong các dung môi không phân cực, ví dụ như dầu mỡ, và không tan trong các dung môi phân cực, ví dụ như nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.1 Cấu tạo của Vitamin A và Vitamin C
Các vitamin tan trong dầu có thể hình thành và tích trữ tại các mô mỡ trong cơ thể. Do đó ta chịu đựng được một thời gian dài nếu trong chế độ ăn uống thiếu các loại vitamin trên. Ngược lại, nếu chúng
quá dư có thể dẫn đến chứng bệnh gọi là thừa vitamin (hypervitaminosis).
Ðối với các vitamin tan trong nước, chúng dễ dàng bị cơ thể thải bỏ và do đó phải được bổ sung thường xuyên. Trước đây người ta phát hiện bệnh phù chảy máu của các thủy thủ sống xa đẩt liền do thiếu vitamin C, căn bệnh này được chặn đứng bằng cách bổ sung đầy đủ vitamin C.
d). Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan
Áp suất ảnh hưởng không đáng kể đến độ tan của chất rắn hoặc lỏng, nhưng có tác động lớn đến độ tan của chất khí. Các loại nước giải khát chứa ga khi đóng chai phải ở áp suất CO2 cao nhằm bảo đảm đạt được một nồng độ lớn của CO2 trong dung dịch. Khi mở nắp, do áp suất của CO2 trong khí quyển bé nên xảy ra sự thoát CO2 khỏi dung dịch tạo nên tiếng bọt vỡ đặc trưng.
Sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch có thể được minh họa trong ví dụ sau: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với tốc độ bằng nhau. Nếu ta làm tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng, khí sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan trong dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập, và dĩ nhiên lúc này dung dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn.
Mối liên hệ giữa áp suất và nồng độ khí tan trong dung dịch được thể hiện qua phương trình: P = kC.
Với P là áp suất riêng phần của khí tan trên bề mặt dung dịch. C là nồng độ của khí tan trong dung dịch
k là hằng số đặc trưng của mỗi loại dung dịch.
Ðây là phương trình toán học của định luật Henry, nó thể hiện nội dung sau: <lượng khí tan trong dung dịch tỉ lệ với áp suất riêng phần của nó>.
Ðiều quan trọng cần phải chú ý là định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp khí tan không phản ứng với dung môi, ví dụ: đúng với trường hợp khí O2 tan trong nước, nhưng không đúng với trường hợp HCl tan trong nước vì ở đây xảy ra sự phân ly của HCl.
Ví dụ 5.6. Một loại nước giải khát được đóng nắp ở 250C chứa khí CO2 với áp suất trên bề mặt dung dịch là 5 atm. Nếu áp suất riêng phần của CO2 trong khí quyển là 4,0.10-4 atm, hãy tính nồng độ CO2 trong dung dịch trước và sau khi mở nắp. Hằng số Henry của CO2 trong dung dịch là 32 l.atm/mol ở 250C. Giải
Áp dụng định luật Henry ta có:
K = 32 l.atm/mol.
Khi mở nắp, CO2 trong dung dịch thoát ra và đạt đến trạng thái cân bằng với áp suất của atm, do đó:
e). Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan
Việc hòa tan các chất rắn vào nước, ví dụ hòa tan đường hay muối vào nước, mà ta gặp hằng ngày có thể làm ta đi đến kết luận rằng độ tan của các chất tăng theo nhiệt độ. Thực sự không phải như vậy. Nhiệt độ cao giúp quá trình hòa tan xảy ra nhanh hơn nhưng lượng chất tan có thể giảm đi theo nhiệt độ.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của các một số chất tan rắn trong nước được trình bày ở hình 5.2. Ta thấy rằng đa số các chất có độ tan tăng khi tăng nhiệt độ, nhưng cũng có một số chất có độ tan giảm khi tăng nhiệt độ như: Na2SO4, Ce2(SO4)3...
Rất khó để mà tiên đoán sự phụ thuộc của độ tan của một chất theo nhiệt độ. Do đó phương pháp tốt nhất là kiểm tra bằng thực nghiệm.
Hình 5.2.Sự phụ thuộc của độ tan của một số chất rắn theo nhiệt độ
Ðối với chất khí thì hầu như là độ tan giảm khi tăng nhiệt độ.
Hình 5.3.Sự phụ thuộc độ tan của các chất khí khác nhau trong nước theo nhiệt độ ở áp suất 1 atm
Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ tan của các chất khí có ý nghĩa quan trọng về mặt môi trường. Một lượng lớn nước được sử dụng để làm nguội trong các qui 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 O2 hòa tan hơn, điều này làm phá vỡ cân bằng hấp phụ O2, làm giảm lượng O2 hòa tan trong nước và do vậy ảnh hưởng đến hoạt động sống của các sinh vật sống trong nước.