Tài liệu Dung dịch_chương 5 pptx

_____________________________________________________________________
_______
Chương 5
DUNG DỊCH

I.
DUNG DỊCH.
1. Khái niệm về dung dịch.
2.
Thành phần của dung dịch.
3. Tương tác giữa chất tan và dung môi.
4. Tính chất của dung dịch không điện ly.
5.
Tính chất của dung dịch điện ly-Hệ số Vant Hoff.
6. Dung dịch keo.

I. DUNG DỊCH
1. Khái niệm về dung dịch
T
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 môi, các tính chất của dung dịch có nồng độ
chất tan lớn,... Do đó vấn dề tìm hiểu dung dịch không 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 môi 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 môi
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 môi 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 thô: 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 lững 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 lững trong chất lỏng.
Các hệ phân tán thô không 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 không
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 toàn bộ thể tích của hệ, cũng

như làm cho hệ rất bền không bị phá hủy khi để yên theo thời gian. Ví dụ khi hòa 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 thô
-Huyền phù
-Nhũ tương
>10
-5
Không bền -Hạt sét lơ lững trong
nước.
-Sữa
Hệ keo 10
-5
- 10
-7
Không bền Gelatin
Dung dịch <10
-7

Bền NaCl tan trong nước
b). Trạng thái dung dịch
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
môi
Không khí Khí Khí Khí
Rượu trong nước Lỏng Lỏng Lỏng
Thép Rắn Rắn Rắn
Nước đường Lỏng Rắn Lỏng
Soda Lỏng Khí Lỏng
H
2
tan trong Pd Rắn Khí Rắn
c). Chất tan và dung môi
Như đã trình bày dung dịch là hệ đồng nhất gồm các 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 được hiểu là chất 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.
Ðôi 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 sẽ là

chất kết tinh đầu tiên khi làm lạnh dung dịch.
d). Dung dịch loãng, đậm đặc, chưa bảo hòa, quá bảo hòa, độ tan
Khi hoà tan đường vào nước, đường đóng vai trò chất tan, nước đóng vai trò dung môi.
Nếu lượng đường tan trong nước ít, ta có dung dịch nước đường loãng. Nếu lượng
đường tan trong nước thật nhiều, ta có dung dịch nước đường đậm 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 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 không thể hòa tan thêm được nữa ở một nhiệt độ xác
định, lúc này ta có dung dịch nước đường bảo hòa 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.
Bây giờ nếu ta 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, quá 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 hòa, Sirô là dung dịch
nước đường quá bảo hòa mà chúng ta thường gặp.
2. Thành phần của dung dịch
Do thành phần của dung dịch có thể thay đổi nên mối quan hệ về lượng của các chất
trong dung dịch phải được xác định rõ ràng và có nhiều cách khác nhau để xác định
mối quan hệ đó .
a). Nồng độ phần trăm khối lượng (%)

Số gam chất tan trong 100 gam dung dịch.

Ví dụ 5.1. Dung dịch NaOH 20% nghĩa là cứ 100g dung dịch thì có 20g NaOH tan
trong đó.
b). Phân mol
Là tỉ lệ giữa số mol chất nào đó với tổng số mol của các chất trong dung dịch. Ðối với
dung dịch tạo thành từ hai chất A, B với số mol tương ứng là
, ta có biểu thức
phân mol như sau:

c). Nồng độ molan (m)
Số mol của chất tan có trong 1kg hoặc 1000g dung môi.


d). Nồng độ mol
Số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch

Ví dụ 5.2. Dung dịch
. Ta có
thể chọn một loại nồng độ nào đó để sử dụng sao cho tiện lợi với yêu cầu định lượng.
Ví dụ 5.3. Khi trộn lẫn 1,00g etanol với 100,0g nước ta thu được dung dịch có thể tích
là 101ml. Tính: nồng độ molan. Phân mol của etanol trong dung dịch.
Giải:



e). Nồng độ đương lượng
Một loại nồng độ khác thường được sử dụng để tính toán trong các phương pháp phân
tích thể tích là nồng độ đương lượng được định nghĩa là số đương lượng gam của chất
tan trong một lít dung dịch. Từ nồng độ mol ta có thể dễ dàng tính được nồng độ

đương lượng theo biểu thức:

là số đương lượng gam ứng với 1 mol chất tan.
Ví dụ 5.4. Ta có dung dịch ứng với số đương lượng gam là 2.
Do đó

Nói chung ta đều có thể thực hiện sự chuyển đổi qua lại giữa các loại nồng độ, và qua
đó biết được thành phần của dung dịch.
Ví dụ 5.5. Dung dịch sử dụng bình acqui là dung dịch H2SO4 3,75M, có khối
lượng riêng là: 1,230 g/ml. Tính nồng độ %, nồng độ molan và nồng độ đương lượng
của H2SO4 trong dung dịch trên.
Giải:
Khối lượng của 1 lít dung dịch: 1000 x 1,230 = 1230g.
Khối lượng của H2SO4 trong 1 lít dung dịch: 3,75 x 98 = 368g.
Khối lượng của H2O trong 1 lít dung dịch: 1230 - 368 = 862g.
Do đó:

3. Tương tác giữa chất tan và dung môi
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
. chính là tổng
của 3 giá trị trên.

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
H
2
O.

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 DH
1

DH
2
DH
3


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.
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.