Dung dịch: Nồng độ mol (Molarity), Pha loãng và Tính chất Colligative
Khi muối 'biến mất' trong nước, thực ra điều gì xảy ra? Các em sẽ tìm hiểu độ tan, cách tính nồng độ mol và pha loãng, quy tắc 'like dissolves like', và cách chất tan làm thay đổi điểm sôi và điểm đông đặc.
Dung dịch là gì?
Dung dịch là một hỗn hợp đồng nhất — đồng đều ở cấp phân tử. Có hai thành phần:
- Chất tan (solute) — chất được hòa tan (thường có lượng ít hơn).
- Dung môi (solvent) — chất làm nhiệm vụ hòa tan (thường có lượng lớn hơn).
Trong nước muối: muối là chất tan; nước là dung môi.
Dung dịch có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí. Không khí là dung dịch khí-khí (chủ yếu là N₂ + O₂). Đồng thau là dung dịch rắn-rắn (hợp kim Cu + Zn). Nhưng trong hóa học, "dung dịch" thường ám chỉ một chất được hòa tan trong chất lỏng — phổ biến nhất là nước (dung dịch nước).
"Like dissolves like" — quy tắc phân cực
Dung môi phân cực hòa tan chất tan phân cực/ion; dung môi không phân cực hòa tan chất tan không phân cực. Lý do: các phân tử dung môi phải bao quanh và ổn định hạt chất tan, và điều này xảy ra tốt nhất khi phân cực khớp với nhau.
- Nước (phân cực) hòa tan muối (ion), đường (phân cực), ethanol (phân cực).
- Nước KHÔNG hòa tan dầu (không phân cực) — chúng tách thành các lớp riêng biệt.
- Hexane (không phân cực) hòa tan dầu và sáp nhưng không hòa tan muối.
Đây là lý do xà phòng có tác dụng: phân tử xà phòng có một đầu phân cực VÀ một đuôi không phân cực, nên có thể "bắc cầu" giữa dầu mỡ (không phân cực) và nước (phân cực).
Quá trình hòa tan
Với hợp chất ion trong nước, các phân tử nước phân cực định hướng xung quanh mỗi ion: đầu H dương gần các anion, đầu O âm gần các cation. Quá trình hydrat hóa này giúp ổn định các ion đã hòa tan. NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq).
Ba yếu tố LÀM TĂNG TỐC quá trình hòa tan (không làm thay đổi lượng tối đa có thể tan):
- Nhiệt độ cao hơn (năng lượng động học lớn hơn)
- Hạt nhỏ hơn (diện tích bề mặt lớn hơn)
- Khuấy (đưa dung môi mới đến bề mặt)
Mức độ bão hòa
- Chưa bão hòa (Unsaturated) — dưới giới hạn hòa tan; vẫn có thể hòa tan thêm.
- Bão hòa (Saturated) — đạt giới hạn hòa tan; chất tan thêm vào không tan nữa.
- Quá bão hòa (Supersaturated) — tạm thời chứa NHIỀU hơn mức bão hòa, thường đạt được bằng cách làm lạnh cẩn thận. Không bền; bất kỳ nhiễu loạn nào cũng gây kết tinh.
Độ tan của chất rắn trong nước thường TĂNG theo nhiệt độ, nhưng với chất khí thì GIẢM (nước ngọt ấm dễ mất ga hơn).
Molarity — đơn vị nồng độ phổ biến nhất
Molarity (M) = số mol chất tan trên mỗi LÍT dung dịch:
M = mol / L
Ví dụ: hòa tan 5.85 g NaCl vào nước để tạo thành 0.250 L dung dịch.
Mol NaCl = 5.85 / 58.5 = 0.100 mol. Molarity = 0.100 / 0.250 = 0.400 M.
Các đơn vị nồng độ khác:
- Molality (m) = mol chất tan trên mỗi KG DUNG MÔI. Dùng cho tính chất colligative vì khối lượng không đổi theo nhiệt độ.
- Phần trăm khối lượng = (khối lượng chất tan ÷ khối lượng dung dịch) × 100
- ppm = phần triệu; trong dung dịch nước loãng là mg chất tan trên mỗi L nước
- Phân số mol = mol của một thành phần / tổng mol của tất cả thành phần
Pha loãng — thêm dung môi để giảm nồng độ
Khi pha loãng, LƯỢNG chất tan không thay đổi; chỉ thể tích thay đổi. Phương trình pha loãng:
M₁V₁ = M₂V₂
Ví dụ: Cần thêm bao nhiêu nước vào 100 mL HCl 6.0 M để thu được dung dịch 0.50 M?
V₂ = (M₁V₁)/M₂ = (6.0 × 100)/0.50 = 1,200 mL (thể tích cuối).
Lượng nước cần thêm = 1,200 − 100 = 1,100 mL.
AN TOÀN: khi pha loãng acid đậm đặc, LUÔN cho acid VÀO nước — không được cho nước vào acid. Nhiệt tỏa ra có thể làm nước bắn tung.
Chất điện ly — dẫn điện
Dung dịch chỉ dẫn điện khi chứa CÁC ION LINH ĐỘNG. Hợp chất ion (NaCl, KOH) phân ly hoàn toàn thành ion khi hòa tan → chất điện ly mạnh. Hợp chất phân tử (đường, ethanol) hòa tan dưới dạng phân tử nguyên vẹn → không dẫn điện (không phải chất điện ly). Acid yếu (acid acetic) phân ly một phần → chất điện ly yếu.
Tính chất colligative — phụ thuộc vào SỐ hạt
Tính chất colligative CHỈ phụ thuộc vào số lượng hạt hòa tan, không phụ thuộc vào danh tính của chúng:
- Hạ điểm đông đặc — chất tan làm giảm điểm đông đặc của dung môi. Đây là lý do người ta rắc muối lên đường đóng băng.
- Nâng điểm sôi — chất tan làm tăng điểm sôi. Ví dụ khi cho muối vào nước luộc mì Ý.
- Giảm áp suất hơi — chất tan không bay hơi làm giảm xu hướng bay hơi của dung môi.
- Áp suất thẩm thấu — áp suất cần thiết để ngăn dòng thẩm thấu qua một màng bán thấm.
Chất tan ion khi phân ly tạo ra NHIỀU hạt hơn trên mỗi đơn vị công thức. 1 mol CaCl₂ → 3 mol hạt (1 Ca²⁺ + 2 Cl⁻) → hiệu ứng colligative gấp ba so với một chất tan không phân ly có cùng lượng mol.