Bài 5 ĐẠI CƯƠNG VỀ DUNGDỊCH
1. Khái niệm về dungdịch
Là một hệ đồng thể gồm các phân tử, nguyên tử, hoặc ion của hai hay nhiều chất có tỉ lệ khác nhau thay đổi trong một phạm vi rộng.
Từ định nghĩa đó có thể có:
- Dung dịch rắn. Ví dụ: các hợp kim. - Dung dịch khí. Ví dụ: khơng khí.
- Dung dịch lỏng. Ví dụ: dung dịch của các chất rắn : nước đường, nước muối… Theo bản chất của chất tan người ta chia thành:
- Dung dịch khơng điện ly: Chất tan có mặt trong dung dịch dưới dạng phân tử. Ví dụ, dung dịch đường, C2H5OH.
- Dung dịch điện ly: Trong dung dịch có mặt cả phân tử và ion. Ví dụ: dung dịch của các muối, acid, base… trong nước.
1.2. Độ tan 1.2.1. Khái niệm
Khi hịa tan chất rắn vào một dung mơi sẽ xảy ra hai quá trình.
* Quá trình tách hạt chất tan từ bề mặt tiếp xúc giữa chất tan và dung mơi, gọi là q trình hịa tan, có tốc độ hịa tan vht ( số hạt chất tan chuyển vào dung môi trong một đơn vị thời gian).
* Các hạt chất tan đã ở trong dung mơi có thể gặp lại bề mặt của chất tan rồi bị giữ lại trong cấu trúc chung, đó gọi là q trình kết tinh, có tốc độ vkt ( số chất tan trở lại cấu trúc chung trong một đơn vị thời gian ). Ban đầu, tốc độ hòa tan lớn hơn tốc độ kết tinh. Nhưng khi trong dung mơi đã có nhiều hạt chất tan ( nồng độ chất tan trong dung dịch lớn) thì tốc độ kết tinh lớn dần, tốc độ hịa tan nhỏ dần. Có thể tồn tại 3 trường hợp:
- Nếu vht > vkt , đó là dung dịch chưa bão hồ là dung dịch cịn có thể hồ tan
111
- Nếu vht = vkt , đó là dung dịch bão hoà là dung dịch khơng thể hồ tan thêm được chất tan ở điều kiện đã cho. Dung dịch này bền về nhiệt động. Q trình hịa tan đạt đến trạng thái thái cân bằng, gọi là căn bằng hòa tan.
- Nếu vht < vkt , đó là dung dịch q bão hồ chứa lượng chất tan vượt quá lượng chất tan trong dung dịch bão hòa.
Độ tan S: được biểu diễn bằng số gam chất tan có thể hịa tan trong 100g dung mơi tạo thành dung dịch bão hịa ở một nhiệt độ và áp suất xác định.
Ví dụ: Độ tan của NaCl ở 200C là 35,8 nghĩa là có 35,8 gam muối trong 100 gam nước.
S > 1 là chất dễ tan.
0,01 < S < 1 là chất khó tan. S < 0,01 là chất khơng tan.
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan 1.2.2.1. Bản chất của chất tan và dung môi
Các chất có cùng kiểu lực liên kết giữa các phân tử thì có thể hịa tan vào nhau, các lực liên kết giữa các phân tử chất tan – chất tan giống nhau hoặc gần như lực liên kết giữa các phân tử dung mơi – dung mơi thì chúng dễ tan vào nhau hình thành dung dịch. 1.2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến độ hòa tan.
- Q trình tan của chất khí: Q trình hịa tan của chất khí hầu như ln ln phát nhiệt, do đó độ tan của chất khí tăng lên khi nhiệt độ giảm và ngược lại.
- Q trình hịa tan của chất lỏng: Khi một chất lỏng tan trong chất lỏng có 3 trường hợp xảy ra :
+ Một số chất lỏng tan không giới hạn vào nhau.
Ví dụ : Các ancol có phân tử nhỏ tan vô hạn trong dung môi nước. + Một số chất lỏng chỉ tan một phần vào nhau :
Ví dụ : Khi hịa tan ete etylic vào nước
+ Một số chất lỏng không tan vào nhau : Ví dụ : Khi hịa tan dầu hỏa vào nước
Đối với những chất lỏng hịa tan vào nhau có giới hạn, độ tan của chúng tăng lên khi nhiệt độ tăng.
- Q trình hịa tan của chất rắn : Đối với chất rắn có năng lượng mạng lưới tinh thể lớn, năng lượng hydrat hóa nhỏ thì q trình hịa tan là q trình thu nhiệt, do đó khi
112
nhiệt độ tăng độ tan của chất rắn tăng. Ngược lại chất rắn có năng lượng hydrat hóa lớn, năng lượng mạng lưới tinh thể nhỏ thì q trình hịa tan là q trình phát nhiệt, do đó độ tan của chất giảm khi nhiệt độ tăng.
1.3. Dung dịch lí tưởng
Dung dịch lí tưởng là dung dịch mà trong đó lực tương tác giữa tất cả các tiểu phân của cả dung mơi và cả chất tan là đồng nhất. Có thể coi dung dịch rất lỗng là dung dịch lí tưởng.
2. Nồng độ dung dịch
Nồng độ dung dịch là đại lượng biểu thị lượng chất tan trong dung dịch. Có một số cách biểu thị nồng độ tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng.
2.1. Nồng độ phần trăm (C%)
- Nồng độ % (KL/KL): là số gam chất tan có trong 100 gam dung dịch.
dd dd % .100 .100 . ct ct m m C m V d (5.1)
mct: Khối lượng chất tan (g) mdd: Khối lượng dung dịch (g)
Ví dụ: Dung dịch NaOH 10% nghĩa là trong 100g dung dịch NaOH có 10g NaOH nguyên chất.
- Nồng độ % (g/ml): Cho biết số gam chất tan có trong 100ml dung dịch.
dd
% mct .100
C V
(5.2)
mct: Khối lượng chất tan (g)
- Nồng độ % (TT/TT): Cho biết số ml chất tan có trong 100ml dung dịch.
dd % Vct .100(%) C V (5.3) Vct: Thể tích chất tan (ml) Vdd: Thể tích dung dịch (ml)
Ví dụ: Dung dịch cồn 700 là dung dịch cồn 70% nghĩa là trong 100ml dung dịch cồn 700 có 70ml ethanol nguyên chất.
2.2. Nồng độ gam
113 dd % mct .1000 C V (5.4)
mct: Khối lượng chất tan (g) Vdd: Thể tích dung dịch (ml)
- Độ chuẩn T: Cho biết số gam chất tan có trong 1ml dung dịch.
dd ct m T V (5.5)
mct: Khối lượng chất tan (g) Vdd: Thể tích dung dịch (ml)
Ví dụ: T của H2SO4 = 0.0098 g/ml nghĩa là trong 1ml dung dịch acid H2SO4 có 0.0098g H2SO4 nguyên chất.
2.3. Nồng độ mol/l (CM)
Nồng độ mol được biểu diễn bằng số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch.
. ct M m n C M V V (5.6)
mct: Khối lượng chất tan (g). Vdd: Thể tích dung dịch (l).
M: Khối lượng mol chất tan.
Ví dụ: Hồ tan 16,7g CaCl2 bằng nước đến 400 ml dung dịch. Tính nồng độ mol của dung dịch và nồng độ mol của ion Cl.
Giải: Phương trình CaCl2 phân li hoàn toàn trong nước: CaCl2 Ca2+ + 2Cl
1mol 2mol
Số mol CaCl2 là: = = 0,15 mol
Số mol của Cllà: 2. = 2 . 0,15 = 0,3 mol
CM(CaCl2) = 4 , 0 15 , 0 = 0,375 mol/l 4 , 0 30 , 0 C ) Cl ( M = 0,750 mol/l 2.4. Nồng độ đương lượng
114
Đương lượng gam của một chất là lượng chất đó tính bằng gam khi phản ứng tương đương 1 mol nguyên tử hydro (1,008g).
2.4.1. Đương lượng gam của đơn chất Ví dụ: Trong phản ứng:
H2 + Error! O2 → H2O 16g oxi kết hợp với 2 mol nguyên tử hydro. Vậy đương lượng gam của oxi ( = Error! = 8 ). Ví dụ: Trong phản ứng:
Mg + 2HCl →H2 + MgCl2
24g Mg đã thay thế 2 mol nguyên tử hydro. Vậy EMg = Error! = 12g.
Như vậy: Đương lượng gam của một đơn chất bằng khối lượng mol nguyên tử của nó chia cho hóa trị.
Lưu ý: Đối với những ngun tố có nhiều hóa trị thì đương lượng gam của nó có thể khác nhau.
Ví dụ: Trong các phản ứng sau đây:
Fe + Error! O2 = FeO EFe = Error! Fe + Error! O2 = Fe2O3 EFe = Error!
2.4.2. Đương lượng gam của hợp chất tham gia phản ứng trung hòa
Định nghĩa: Đương lượng gam của một chất trong phản ứng trung hòa bằng khối lượng mol phân tử axit, bazơ chia cho số proton H+, nhóm OH- đã tham gia phản ứng. Ví dụ: Trong phản ứng:
NaOH + HCl → NaCl + H2O
40g NaOH phản ứng tương đương với 1 mol HCl (36,5g) tức là tương đương với 1 mol nguyên tử hydro. Vì vậy ENaOH = Error! và EHCl = Error! .
Ví dụ: Trong phản ứng:
3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + H2O
1 mol H3PO4 khi phản ứng tương đương với 3 mol nguyên tử hydro (đưa ra 3 mol nguyên tử hydro để trao đổi). Vì vậy:
= Error! = Error! và ENaOH = Error! = 40g Còn trong phản ứng:
115
1 mol H3PO4 khi phản ứng tương đương với 2 mol nguyên tử hydro: = Error!
2.4.3. Đương lượng gam của hợp chất tham gia phản ứng trao đổi
Định nghĩa: Đương lượng gam của một chất trong phản ứng trao đổi bằng khối
lượng mol phân tử chia cho số điện tích dương hay âm mà một phân tử chất đó đã trao đổi.
Ví dụ: Fe2(SO4)3 + BaCl2 → BaSO4 + FeCl3
2( 4 3) 6 Fe SO
M
E
2.4.4. Đương lượng gam của hợp chất tham gia phản ứng oxy hóa - khử
Định nghĩa: Đương lương gam của một chất trong phản ứng oxi hóa - khử bằng
khối lượng mol phân tử chia cho số electron mà phân tử chất đó cho hoặc nhận. Ví dụ:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 5Fe2(SO4)3 + 8 H2O 1 mol KMnO4 nhận 5 mol electron (tương đương với 5 mol nguyên tử hydro). Vì vậy:
= Error! . Tương tự: = Error!
Ví dụ: Tính đương lượng gam của acid oxalic trong các phản ứng sau đây và cho biết muốn pha được dung dịch 0,1 N của acid cần phải tiến hành như thế nào?
H2C2O4 + 2NaOH → Na2C2O4 + 2H2O (1)
5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 10CO2 + 8 H2O (2) Giải:
Trong phản ứng (1) H2C2O4 trao đổi 2 điện tich dương (2H+) hay 2 điện tích âm (C2O42-). Vì vậy:
= Error!
Trong phản ứng (2) một phân tử H2C2O4 cho đi 2e (2C+3 → 2C+4). Vì vậy đương lượng gam của H2C2O4 trong phản ứng này cũng bằng Error!.
2.5. Nồng độ molan (Cm)
Nồng độ molan được biểu diễn bằng số mol chất tan có trong 1000g dung mơi.
Cm = 1 2 m . M 1000 . m (5.7)
116 m1 là số gam dung môi
M là khối lượng mol phân tử chất tan.
Ví dụ: Tính nồng độ molan của dung dịch saccarozơ (C12H22O11, M = 342,3) 30% trong nước?
Giải:
Trong 100 gam dung dịch, khối lượng saccarozơ là 30g; khối lượng nước là 70g. Số mol saccarozơ trong 70 gam nước:
nsaccarozơ = 3 , 342 30 = 0,087 mol
Nồng độ molan của dung dịch:
Cm = = 1,25
2.6. Nồng độ phần mol hay nồng độ riêng phần
Nồng độ phần mol của một chất i nào đó được tính bằng tỉ số số mol của chất đó và tổng số số mol của tất cả các chất tạo nên dung dịch
Ni = Error! (5.8) Ni : Nồng độ phần mol của chất i.
ni: Số mol chất i.
∑ni: Tổng số mol của các chất tạo nên dung dịch. 3. Áp suất thẩm thấu của dung dịch
3.1. Hiện tượng thẩm thấu
Cho một ống chữ U có nhánh A chứa dung dịch đường glucozo và nhánh B chứa nước nguyên chất, ngăn cách nhau bằng một màng thẩm thấu tức là màng có kích thước các lỗ chỉ cho các phân tử dung mơi đi qua cịn các tiểu phân chất tan bị giữ lại (hình 5.1).
Sau một thời gian thấy mực chất lỏng trong nhánh A dâng lên đến chiều cao h thì dừng lại. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng thẩm thấu
Nguyên nhân của hiện tượng thẩm thấu : các phân tử nước chuyển dịch từ A sang B và ngược lại nhưng số phân tử nước từ B sang A nhiều hơn từ A sang B. Do các phân tử H2O đã dịch chuyển tử nơi có nồng độ của nước cao hơn đến nơi nồng độ nước thấp nghĩa là từ dung môi sang dung dịch
117
Hiện tượng các phân tử dung môi khuếch tán một chiều qua màng thẩm thấu từ dung mơi sang dung dịch (hoặc từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao hơn) được gọi là hiện tượng thẩm thấu.
Màng bán thấm có trong tự nhiên: Bong bóng động vật, da ếch, màng các loại củ (màng củ cải) ... Người ta chế tạo màng bán thấm bằng màng xốp đất sét có tẩm muối đồng Cu2[Fe(CN)]6 ...
Hiện tượng thẩm thấu có ý nghĩa rất quan trọng trong sự sống của các cơ thể động vật và thực vật. Vỏ tế bào là những màng bán thấm cho các phân tử nước đi qua nhưng các chất tan trong chất lỏng bên trong tế bào hầu như không đi qua được.
- Nhờ có hiện tượng thẩm thấu mà cây cỏ có thể hút được nước từ đất lên ni các tế bào, cây cối, hoa quả héo tưới nước vào lại tươi, cá nước ngọt không sống ở nước mặn và ngược lại.
- Dịch trong hồng cầu có áp suất thẩm thấu 7,4 - 7,5 atm. Vì vậy để tránh hiện tượng vỡ hoặc teo hồng cầu người ta thường sử dụng những dịch đẳng trương (có áp suất thẩm thấu bằng áp suất thẩm thấu của máu) để đưa vào cơ thể.
Một số ví dụ về dịch truyền tinh thể đẳng trương *. Dung dịch NaCl 0,9%
Thành phần gồm 154mmol Na+ và 154mmol Cl-, áp lực thẩm thấu 308 mmol/l. Dung dịch NaCl 0,9% khi truyền vào máu chỉ giữ lại trong lịng mạch 25% thể tích truyền.
*. Dung dịch ringer lactat
Ringer lactat cũng được xếp vào nhóm dung dịch tinh thể đẳng trương. Thành phần gồm Na+ 130mmol/l, K+ 4mmol/l, Ca++ 1 - 3mmol/l, Cl- 108 mmol/l, lactat
118
28mmol/l, áp lực thẩm thấu 278m0smo/l. Dung dịch Ringer lactat khi truyền vào máu chỉ giữ lại trong lòng mạch 19% thể tích truyền.
*. Dung dịch ngọt đẳng trương (glucose 5%)
Cứ 100 ml có 5,5 gam gluco, chuyển hóa trong cơ thể tạo ra 20 Kcal. áp lực thẩm thấu 278 mmol/l
Sử dụng dung dịch đẳng trương có những ưu, nhược điểm sau:
+ Ưu điểm: có thể sử dụng cho tất cả các trường hợp giảm thể tích tuần hồn; khơng ảnh hưởng đến q trình đơng máu; khơng có nguy cơ gây dị ứng; dễ pha chế và giá thành rẻ.
+ Nhược điểm: làm tăng thể tích huyết tương kém, thời gian lưu giữ trong lòng mạch ngắn, thể tích bù phải gấp 3 - 4 lần thể tích máu mất dễ dẫn đến nguy cơ phù kẽ, đặc biệt là phù não, phù phổi ở những trường hợp bị giảm thể tích tuần hồn nặng.
Một số ví dụ về dịch truyền ưu trương + Dung dịch NaCl ưu trương
Dịch truyền NaCl ưu trương có nồng độ NaCl 3%, 5%, 7,5%, 10%. Thời gian lưu giữ ở trong khoang mạch máu khoảng 1 giờ. Các dung dịch này có tác dụng gia tăng thể tích huyết tương cao bằng cách rút nước từ các tế bào gần khoang mạch máu (hồng cầu, tế bào nội mô mạch máu), và rút nước từ khoang gian bào. Dịch truyền NaCl ưu trương có hiệu quả để hồi phục thể tích tuần hồn nhanh.
3.2. Áp suất thẩm thấu - Định luật Van’t Hoff (1887 - Hà Lan)
Áp suất thẩm thấu là áp suất gây nên bởi hiện tượng thẩm thấu. Về độ lớn nó có giá trị bằng áp suất gây nên bởi cột nước có chiều cao h trong thí nghiệm trên hoặc bằng áp suất cần đặt lên dung dịch để làm ngừng hiện tượng thẩm thấu.
Năm 1887 Van’t Hoff thiết lập biểu thức liên quan giữa độ lớn áp suất thẩm thấu và nồng độ chất tan đối với dung dịch loãng.
Áp suất thẩm thấu của một dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ và nhiệt độ của dung dịch. π = R.C.T (5.9)
π: Áp suất thẩm thấu (atm)
R: Hằng số khí lý tưởng, bằng 0,082 lít.atm/mol.K C: Nồng độ mol/l
T: Nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch
Ví dụ: Xác định khối lượng mol phân tử của hemoglobin biết rằng dung dịch 80g hemoglobin/lít có áp suất thẩm thấu 0,026 atm, ở 400 C.
119
Gọi MA là khối lượng mol phân tử của hemoglobin ta có: C = Error!
π = R. C. T = 0,082. Error! .(273+40) = 0,026 Từ đó: MA = 70.000g
4. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc của dung dịch 4.1. Áp suất hơi của dung dịch 4.1. Áp suất hơi của dung dịch
Áp suất hơi của một chất lỏng là áp suất gây nên bởi những phân tử của nó trên mặt thống của chất lỏng.
Áp suất hơi bão hòa là áp suất tạo ra trên mặt thống khi q trình bay hơi đạt tới trạng thái cân bằng.
Áp suất hơi tăng khi tăng nhiệt độ của chất lỏng.
Ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi hay áp suất hơi bão hòa của dung dịch luôn luôn