1. Sự tạo thành dung dịch lỏng - Hiệu ứng nhiệt quá trình hịa tan:
Cĩ thể xem sự tạo thành dung dịch lỏng gồm hai quá trình chính:
- Quá trình vật lý: bao gồm sự phá vỡ mạng lưới tinh thể của chất tan (hay cắt đứt liên kết giữa các phân tử trong chất lỏng và chất khí), sự khuếch tán vào dung mơi của chất tan và được gọi chung là sự chuyển pha. Quá trình này cần tốn năng lượng (∆Hcp) để phá vỡ mạng lưới tinh thể.
- Quá trình hĩa học: sự tương tác giữa tiểu phân chất tan và các phân tử dung mơi. Tương tác này được gọi là sự solvat hĩa hay hydrat hĩa (nếu dung mơi là nước). Quá trình này tỏa ra một lượng nhiệt ∆Hs.
Nhiệt quá trình hịa tan bằng tổng đại số hiệu ứng nhiệt của hai quá trình trên:
∆Hht = ∆Hcp + ∆Hs
Tùy theo giá trị của ∆Hcpvà ∆Hs mà nhiệt hịa tan của một chất cĩ thể là dương hay âm.
VD: ∆Hht(NH4NO3) = 6,32 kcal/mol
∆Hht(KOH) = -13,3kcal/mol
Nhiệt lượng thốt ra hay thu vào khi hịa tan một mol chất được gọi là nhiệt hịa tan của chất đĩ.
2. Quá trình hịa tan và cân bằng hồ tan:
Xét sự hịa tan của chất rắn trong dung mơi lỏng (nước).
- Khi cho tinh thể chất rắn A vào nước thì các tiểu phân ở lớp bề mặt tinh thể do sự chuyển động nhiệt của bản thân và lớp dưới tác động tương tác của các phân tử nước phân cực sẽ tách khỏi bề mặt tinh thể, khuếch tán vào nước và được phân bố đều trong tồn bộ thể tích dung mơi. Sự hịa tan cứ thế tiếp diễn.
- Ngược lại với quá trình hịa tan là quá trình kết tủa xảy ra do trong dung dịch, các tiểu phân chất A khi chuyển động nhiệt hỗn loạn cĩ thể va chạm vào bề mặt tinh thể và bị giữ lại do lực hút của những tiểu phân ở lớp bề mặt tinh thể.
Theo thời gian, tốc độ của quá trình hồ tan ngày càng giảm dần, tốc độ của quá trình kết tủa ngày càng tăng dần. Khi tốc độ của hai quá trình này ngang nhau thì hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng hịa tan.
Tinh thể chất A hồ tan ⇔
Kết tủa Dung dịch chất A
Cân bằng hịa tan cũng là cân bằng động và được đặc trưng bằng tỷ lệ nhất định giữa lượng chất tan và lượng dung mơi ở những điều kiện bên ngồi xác định. Khi cân bằng hịa tan được thiết lập thì chất tan thực tế khơng tan thêm được nữa.
Dung dịch ứng với trạng thái này gọi dung dịch bão hịa. Dung dịch bão hịa là một hệ bền (cân bằng thực: ∆Ght=0): dung dịch cĩ thể tồn tại bao lâu tùy ý mà nồng độ vẫn khơng đổi (ở T0 và p của hệ được duy trì khơng đổi).
Dung dịch cĩ lượng chất tan thấp hơn lượng chất tan trong dung dịch bão hịa gọi là dung dịch chưa bão hịa. Dung dịch này cĩ thể hịa tan thêm một lượng chất tan nữa mà khơng cần phải thay đổi điều kiện bên ngồi (∆Ght<0).
Khi hạ nhiệt độ trong dung dịch bão hịa của một số chất (Na2S2O3, Na2B4O7,…), lượng chất tan cĩ dư khơng kết tinh ngay, dung dịch như vậy gọi là dung dịch quá bão hịa. Dung dịch quá bão hịa là một hệ thống khơng bền (cân
bằng giả: ∆Ght>0), chỉ cần khuấy trộn dung dịch hay thêm một vài tinh thể nhỏ chất tan vào thì lượng chất tan cĩ dư bắt đầu kết tinh lại, quá trình này tiếp tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt nồng độ bão hịa ở nhiệt độ đĩ.
3. Nồng độ dung dịch và cách biểu diễn:
a. Định nghĩa
Nồng độ dung dịch là lượng chất tan trong một lượng hay một thể tích nhất định của dung dịch hay dung mơi.
b. Cách biểu diễn nồng độ
- Nồng độ % khối lượng: chỉ số phần khối lượng chất tan trong 100 phần khối lượng dung dịch.
a C% =
a+b x 100
Trong đĩ: a : khối lượng chất tan (g)
B : Khối lượng dung mơi (g)
- Nồng độ phân tử gam (nồng độ mol) (M): chỉ số phân tử gam chất tan trong 1l dung dịch.
a x1000 CM =
M.V
Trong đĩ: a : khối lượng chất tan (g)
M : Phân tử lượng chất tan
V : Thể tích dung dịch (ml)
Liên hệ giữa CM và C% CM.M C% =
10d x100
Trong đĩ: d: khối lượng riêng của dung dịch (g/cm3)
- Nồng độ molan (m): số phân tử gam chất tan trong 1000g dung mơi. a x 1000
Cm =
M.b
Trong đĩ: a : số (g) chất tan hịa trong b (g) dung mơi
M : phân tử gam chất tan
- Nồng độ phân tử (nồng độ phần mol) (Ni ): cho biết tỉ số giữa số phân tử gam của một chất (ni ) trên tổng số phân tử gam (Σni ) của các chất tạo thành dung dịch.
ΣnI
Σni = 1
VD: Dung dịch gồm hai cấu tử: chất tan A và dung mơi B.
nA nB
NA =
Na+nB ; NB =
nA+nB ; NA +NB=1 - Nồng độ đương lượng (N): số đương luợng gam chất tan trong 1l dung dịch.
a x 1000 CN =
Đ.V
Đ : đương lượng gam chất tan. CNĐ
C% =
10d
4. Độ tan và các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan:
a.Độ tan
Độ tan của một chất là nồng độ của chất đĩ trong dung dịch bão hịa ở những điều kiện nhất định.
- Đơn vị của độ tan: giống đơn vị của nồng độ ( C%, CM,…). Thường trong thực tế biểu diễn bằng số gam chất tan trong 100g dung mơi.
- Phân loại:
+ Chất dễ tan: cĩ độ tan >10g/100g dung mơi. + Chất khĩ tan: cĩ độ tan <1g/100g dung mơi.
+ Chất hầu như khơng tan: cĩ độ tan <0,01g/100g dung mơi.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan
- Ảnh hưởng của bản chất chất tan và dung mơi:
Theo qui tắc kinh nghiệm: “Chất tương tự tan trong chất tương tự tức là các chất cĩ khuynh hướng tan trong dung mơi cĩ bản chất giống mình”.
+ Những dung mơi là hợp chất cộng hĩa trị khơng cực hay cĩ cực yếu sẽ hịa tan mạnh các hợp chất khơng cực hay phân cực yếu, khơng hịa tan các hợp chất ion.
+ Những dung mơi cĩ cực mạnh sẽ hịa tan các hợp chất cĩ cực hay ion và ít hịa tan các hợp chất khơng cực.
VD: Muối ăn (NaCl) tan tốt trong nước.
Các halogen dễ tan trong các dung mơi hữu cơ khơng cực: C6H6, CHCl3… nhưng ít tan trong nước.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất:
+ Quá trình hịa tan chất khí trong chất lỏng: * Ảnh hưởng của nhiệt độ
A (k) +D(d) ⇔ A(d2) , ∆Hht<0
Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dời theo chiều nghịch nên độ tăng giảm. * Ảnh hưởng của áp suất
Khi hịa tan, thể tích của hệ giảm nên khi tăng áp suất của khí thì độ tan của khí tăng lên.
+ Quá trình hịa tan chất lỏng trong chất lỏng:
Tuỳ theo bản chất của các chất lỏng, cĩ thể xảy ra ba trường hợp:
* Hịa tan vơ hạn: đặc trưng cho các dung dịch lý tưởng(tolen- benzen), các dung dịch cĩ tạo thành hợp chất hĩa học (rượu, nước).
* Hịa tan cĩ hạn.
* Khơng hịa tan vào nhau: các chất cĩ bản chất hồn tồn khác nhau (mỡ - nước, benzen- nước,…).
Ta xét ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đối với trường hợp hịa tan cĩ hạn (phổ biến nhất):
* Ảnh hưởng của áp suất: khơng phụ thuộc vào áp suất.
* Ảnh hưởng của nhiệt độ: trong đa số trường hợp, khi tăng nhiệt độ thì độ hồ tan lẫn nhau giữa hai chất lỏng tăng lên (do quá trình thu nhiệt).
+ Quá trình hịa tan của chất rắn trong chất lỏng: * Ảnh hưởng của áp suất: hầu như khơng ảnh hưởng.
* Ảnh hưởng của nhiệt độ: phần lớn chất rắn cĩ độ tan tăng theo nhiệt độ nhưng với mức độ khác nhau.
Cĩ một số ít chất rắn khi tăng nhiệt độ thì độ tan trong nước giảm xuống (quá trình hịa tan phát nhiệt).
Trường hợp Na2SO4 là trường hợp đặc biệt: từ 00C đến 320C: độ tan nhanh theo nhiệt độ, nhưng trên 320C thì độ tan giảm theo nhiệt độ.
C
10 20 30 40
T(0C)
Do từ 0-320C : tinh thể chất tan là Na2SO4.10H2O (∆Hht>0).
Trên 320C : các tinh thể hydrat mất nước biến thành muối khan Na2SO4(∆Hht<0).