II. NGUYÊN LÝ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG LE CHÂTELIER
1. Khái niệm về dung dịch
Ngày nay dung dịch không phải là một khái niệm xa lạ nhờ tính phổ biến của nó. Tuy nhiên để hiểu đúng về dung dịch không phải là chuyện đơn giản. Với các lý thuyết hiện đại về hóa học đến nay vẫn chưa giải thích được rõ ràng một số vấn đề về dung dịch như: tính tan của các chất trong dung mơi, các tính chất của dung dịch có nồng độ chất tan lớn,... Do đó vấn dề tìm hiểu dung dịch khơng chỉ xuất phát từ yêu cầu về mặt thực tiễn mà còn do yêu cầu về mặt lý thuyết.
a). Các hệ phân tán và dung dịch
Dung dịch là các hệ phân tán nhưng không phải hệ phân tán nào cũng là dung dịch. 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 mơi trường phân tán) dưới dạng các hạt có kích thước nhỏ. Các hệ phân tán có thể được phân loại theo trạng thái tập hợp của chất phân tán vào mơi trường phân tán, hoặc theo kích thước của các hạt trong hệ phân tán, hoặc theo cường độ tương tác giữa các hạt trong hệ phân tán,...
Tùy thuộc vào trạng thái tập hợp của chất phân tán và mơi trường phân tán mà ta sẽ có các hệ 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
Tuy nhiên do tính chất 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.
Hệ phân tán thơ: kích thước các hạt> cm, do đó có thể nhìn thấy các hạt bằng mắt thường hoặc bằng kính hiển vi quang học. 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 đất sét lơ lửng trong nước. Dạng nhũ tương thu được khi có sự phân bố hạt chất lỏng trong chất lỏng, ví dụ sữa là hệ nhũ tương điển hình gồm các hạt mở lơ lửng trong chất lỏng. Các hệ phân tán thơ khơng bền vì các hạt phân tán có kích thước quá lớn so với các phân tử, ion nên dễ dàng lắng xuống.
Hệ phân tán cao hay hệ keo: Các hạt phân tán có kích thước trong khoảng đến , do đó để quan sát được các hạt phải dùng kính siêu hiển vi có độ phóng đại lớn. Ví dụ cho loại hệ này là gelatine, keo dán, sương mù, khói. Các hệ keo cũng khơng bền vì các hạt keo dễ liên hợp nhau thành hạt có kích thước lớn hơn và lắng xuống. Các hệ keo có nhiều tính chất rất đặc biệt và có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, do đó việc nghiên cứu hệ keo đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu độc lập gọi là hóa keo.
Dung dịch: khi các hạt có kích thước cở phân tử hay ion, nghĩa là có kích
thước< thì hệ phân tán trở thành đồng thể và được gọi đơn giản là dung dịch. Kích thước vô cùng bé nhỏ của các hạt làm cho chúng phân bố đồng đều trong môi trường và dẫn đến sự đồng nhất về thành phần, cấu tạo và tính chất trong tồn bộ thể tích của hệ, cũng như làm cho hệ rất bền không bị phá hủy khi để n theo thời gian. Ví dụ khi hịa tan đường và muối ăn vào nước, các hạt đường phân tán dưới dạng phân tử, còn các hạt muối phân tán dưới dạng ion.
Từ các đặc điểm đã nêu ta có thể định nghĩa dung dịch như sau:
Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng có thể thay
đổi trong một giới hạn rộng.
Ðịnh nghĩa này cho thấy dung dịch giống hợp chất về tính đồng nhất nhưng khác ở chổ có thành phần thay đổi, trong khi đó giống hỗn hợp cơ học ở chổ có thành phần thay đổi nhưng khác ở tính đồng nhất.
Bảng 5.1. Phân loại hệ phân tán theo kích thước của tiểu phân
Hệ Kích thước tiểu phân. Ðơn vị cm Ðộ bền theo thời gian Ví dụ Hệ phán tán thơ -Huyền phù -Nhũ tương
>10-5 Không bền -Hạt sét lơ lửng trong nước. -Sữa
Hệ keo 10-5 - 10-7 Không bền Gelatin
Dung dịch <10-7 Bền NaCl tan trong nước
Trong hoá học chúng ta thường làm việc với các dung dịch lỏng, do đó, đối với nhiều người dung dịch được hiểu là ở trạng thái lỏng. Thực ra về mặt trạng thái tập hợp, dung dịch có thể ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn.
Bảng 5.2. Các trạng thái tập hợp của dung dịch
Ví dụ Trạng thái của dung dịch
Trạng thái của chất tan
Trạng thái của dung mơi
Khơng khí Khí Khí Khí
Rượu trong nước Lỏng Lỏng Lỏng
Thép Rắn Rắn Rắn
Nước đường Lỏng Rắn Lỏng
Soda Lỏng Khí Lỏng
H2 tan trong Pd Rắn Khí Rắn
c). Chất tan và dung mơi
Như đã trình bày dung dịch là hệ đồng nhất gồm các chất phân tán vào nhau. Chất đóng vai trị mơi trường phân tán, gọi là dung mơi. Các chất cịn lại đóng vai trị 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 mơi được hiểu là chất có trạng thái tập hợp khơng 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. Ðơi khi người ta có thể sử dụng một tính chất cụ thể nào đó để xác định dung mơi, ví dụ: đối với các hệ rắn-lỏng, khí-lỏng thì dung mơi là chất lỏng hoặc dung môi sẽ là chất kết tinh đầu tiên khi làm lạnh dung dịch.
d). Dung dịch lỗng, đậm đặc, chưa bảo hịa, q bảo hịa, độ tan
Khi hồ tan đường vào nước, đường đóng vai trị chất tan, nước đóng vai trị dung mơi. Nếu lượng đường tan trong nước ít, ta có dung dịch nước đường lỗng. Nếu lượng đường tan trong nước thật nhiều, ta có dung dịch nước đường đậm đặc. Vậy ta có thể hiểu: - Dung dịch lỗng là dung dịch chứa một lượng ít chất tan.
Nếu tiếp tục thêm đường vào dung dịch, ta thấy đường tiếp tục tan ra, dung dịch bây giờ sẽ chứa một lượng đường nhiều hơn ban đầu. Nhưng nếu tiếp tục thêm đường đến một lúc nào đó ta thấy đường khơng thể hòa tan thêm được nữa ở một nhiệt độ xác định, lúc này ta có dung dịch nước đường bảo hịa và lúc này lượng đường có trong dung dịch bằng độ tan của nó. Tổng quát ta hiểu như sau:
- Dung dịch chưa bảo hòa là dung dịch mà chất tan có thể tiếp tục tan thêm.
- Dung dịch bảo hòa là dung dịch mà chất tan không thể tan thêm được nữa ở một nhiệt độ xác định.
- Ðộ tan là lượng chất tan được vào dung dịch để tạo ra một dung dịch bảo hòa ở một nhiệt độ xác định.
Nếu nâng nhiệt độ dung dịch lên cao hơn, đường sẽ tiếp tục hòa tan . Khi làm nguội dung dịch về nhiệt độ ban đầu t0C thì lượng đường dư so với độ tan ở nhiệt độ t0C sẽ kết tinh tách ra khỏi dung dịch và có sự hình thành trở lại dung dịch bảo hòa. Trong một số trường hợp, q trình kết tinh có thể xảy ra lập tức hoặc sẽ xảy ra khi ta thêm vào đó vài tinh thể của chất tan, hoặc lắc dung dịch. Dung dịch chứa một lượng chất tan vượt quá so với độ tan được gọi là dung dịch quá bảo hịa, Sirơ là dung dịch nước đường quá bảo hòa mà chúng ta thường gặp.