Cân bằng trong dung dịch lỏng

Chương 9 Cân bằng trong dung dịch lỏng
9.1 Hệ phân tán và dung dịch
9.2 Quá trình hòa tan
9.3 Độ tan S
9.4 Áp suất hơi của dung dịch
9.5 Nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc dd
9.6 Áp suất thẩm thấu và định luật VanHoff
9.1 Hệ phân tán và dung dịch
9.1.1 Hệ phân tán:
1. Khái niệm: Hệ phân tán là hệ gồm 2 hay nhiều chất, trong đó 1 chất ở dạng hạt rất nhỏ được phân bố vào trong chất kia.
b. PHÂN LOẠI HỆ PHÂN TÁN
Dựa vào kích thước các hạt người ta chia thành:
 Hệ phân tán thô: kích thước của các hạt của pha phân tán từ 10-7 – 10-4m. Hệ này không bền. Loại hệ này gồm
+Huyền phù: Chất phân tán: rắn, môi trường phân tán: lỏng (phù sa…)
+Nhũ tương:Chất phân tán và môi trường phân tán đều chất lỏng (hạt mỡ trong nước…)
 Dung dịch keo:Hạt phân tán có kích thước 10-9 – 10-7m. Hệ này tương đối bền (sương mù:lỏng –khí; khói:rắn=khí)
 Dung dịch thật: Hạt của pha phân tán bằng kích thước của phân tử hoặc ion (≤ 10-10m), giữa chất phân tán và môi trường phân tán không có bề mặt phân chia, toàn bộ dd là một pha.
Vậy dd là một hệ đồng thể
1. Khái niệm: Dung dịch là hệ một pha nhiều cấu tử mà thành phần của nó có thể biến đổi trong một giới hạn nhất định.
Chất phân tán: gọi là chất tan;
Môi trường phân tán: gọi là dung môi
2. Các loại dung dịch: Tùy thuộc vào trạng thái tập hơp chia ra 3 loại:
+ Dung dịch khí : Ví dụ như không khí
+ Dung dịch rắn: ví dụ như các hợp kim
+Dung dịch lỏng: phổ biến nhất

9.1.2 Dung dịch
3 CÁCH BIỂU DIỄN THÀNH PHẦN DUNG DỊCH
a. Nồng độ % khối lượng. (C%) là số gam chất tan trong 100g dung dịch.


Ví dụ 1: Cần bao nhiêu gam tinh thể NaOH (độ tinh khiết P=97%) để pha thành 2000g dung dịch NaOH 5%.

Ví dụ 2: Cần bao nhiêu gam tinh thể NaCl (độ tinh khiết P=91%) để pha thành 5000g dung dịch NaCl 9%.

b.Nồng độ phân tử gam hoặc nồng độ mol: (CM) là số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch.

Ví dụ 1 : Cần bao nhiêu gam tinh thể NaOH (độ tinh khiết 97%) để pha thành 1 lít dung dịch NaOH 1M.
Ví dụ 2 : Cho dung dịch KMnO4 0.2 M, khi pha loãng 0.1 l dung dịch trên thành 0.5 l, cho biết nồng độ dung dịch KMnO4 mới?
Ví dụ: Hòa tan dung dịch KMnO4
c. Nồng độ đương lượng (CN)
Nồng độ đương lượng là số đương lượng gam chất tan có trong 1 lít dung dịch. (đv=đlg/l)

Ví dụ : Cần bao nhiêu gam tinh thể Ca(OH)2 (độ tinh
khiết 100%) để pha thành 2 lít dung dịch Ca(OH)2 1N.
Nồng độ molan ( Cmolan ):
là số mol chất tan có trong 1kg dung môi
Hoặc có thể tính theo công thức:

Cmolan =
a.1000
M.b
Trong đó:a là số gam chất tan;b số gam dung môi
M là phân tử gam chất tan
e. Nồng độ phần mol ( phân số mol): () hoặc Ni
là tỷ số giữa số mol của cấu tử chia cho tổng số mol chất có trong dung dịch (kể cả dung môi)
Số mol chất i (mol)
i=
Tổng số mol chất (mol)
1 + 2 + 3 + …n = 1

Mối quan hệ giữa các loại nồng độ thông dụng


CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ KHÁC
Phần trăm thể tích/thể tích (v/v)
Phần trăm khối lượng/ thể tích. (m/v)
Phần trăm thể tích/khối lượng (v/m)
Ví dụ
10% dung dịch Etanol (v/v)
Hòa tan 0.9 g NaCl trong 100 ml nước ta được 0.9% NaCl (m/v)
Số ml tinh dầu/100g nguyên liệu


Khi nồng độ dung dịch nhỏ thì có thể biểu diễn:
ppm: phần triệu
ppb: phần tỷ

CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ KHÁC

Một số ví dụ:
1. Hòa tan 100 g CuSO4.5H2O vào 400g dung dịch CuSO4 4% thì nồng độ C% của dung dịch mới là:
a. 14% b. 16% c. 13% d.Câu trả lời khác.
2. Dung dịch NaOH 2N (d= 1,08) có nồng độ % là:
a. 6,4 b. 7 c. 6,5 d. 7,4
3. Hòa tan 25 g CaCl2.6H2O vào 300 ml H2O thì có dung dịch d = 1,08 g/l. Nồng độ mol của dung dịch là:
a. 0,38 b. 0,48 c. 0,28 d. a,b,c đều sai
9.2 Quá trình hòa tan
9.2.1 Khả năng hòa tan của các chất
Hỗn hợp đồng nhất (dung dịch) có thể được tạo ra phụ thuộc vào:
Tương tác giữa các phân tử dung môi
Tương tác giữa các tiểu phân chất tan
Tương tác giữa các tiểu phân chất tan-với dung môi
9.2.2 Các bước của quá trình hòa tan và hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan
Bước 1: Sự tách rời các tiểu phân chất tan: ΔH1
Bước 2: Sự tách rời các tiểu phân dung môi: ΔH2
Bước 3: Sự tương tác các tiểu phân chất tan và dung môi: ΔH3
.
Quá trình hòa tan
Bước 1: ΔH1> 0 (quá trình thu nhiệt)
Bước 2: ΔH2 > 0 (quá trình thu nhiệt)
Bước 3: Sự tương tác các tiểu phân chất tan và dung môi: ΔH3 < 0 (qúa trình tỏa nhiệt)
Nếu ΔH3 > ΔH1 + ΔH2 thì ΔHs <0: quá trình hòa tan tỏa nhiệt cho nên thuận lợi tan
Nếu ΔH3 < ΔH1 + ΔH2 thì ΔHs >0: quá trình hòa tan thu nhiệt cho nên không thuận lợi cho hòa tan

Quá trình hòa tan có
sự tỏa nhiệt HQuá trình hòa tan có sự thu nhiệt H>0
Lưu ý: Đối với quá trình có ΔHs >0 vẫn có thể xẩy ra quá trình hòa tan ví dụ: hòa tan NH4NO3
Do quá trình hòa tan làm tăng mức độ hỗn độn của hệ tức là tàm tăng entropi của hệ vì vậy quá trình hòa tan có thể xãy ra ngay cả quá trình thu nhiệt (ΔHs >0 )
Theo nhiệt động lực học một chất tan được khi
ΔG = ΔH - TΔS <0 nên
+ Ở nhiệt độ cao các chất rắn hay chất lỏng dễ tan vì ΔS là đáng kể
+ Các chất khí tan nhiều ở nhiệt độ thấp vì sự đóng góp của entropi trong biến thiên năng lượng tự do không đáng kể
Nhiệt lượng thoát ra hay thu vào khi hòa tan một mol chất vào lượng dung môi đủ lớn gọi là nhiệt hòa tan của chất đó
9.2.3 Các loại dung dịch của quá trình hòa tan
1.Dung dịch lý tưởng
Là dung dịch trong đó cấu tạo chất tan và dm tương tự nhau nên lực tương tác giữa các thành phần giống nhau.
S tăng H nhỏ
* Ví dụ benzen-toluen

ΔHs = 0
Dung dịch lý tưởng
2. Dung dịch không lý tưởng
Là dung dịch do sự hòa tan của các chất có độ phân cực khác nhau
Ví dụ trộn axeton với cloroform. Axeton là chất phân cực, cloroform ít phân cực hơn.
Khi trộn, axeton tan vào cloroform và tỏa nhiệt
ΔHsoln < 0
Dung dịch không lý tưởng





ΔHs > 0
Nếu các chất có độ phân cực khác nhau nhiều với dung môi thì sẽ không tan trong dung môi đó
Ví dụ trộn axeton với CS2. Axeton là chất phân cực, CS2 ít phân cực hơn nhiều . Khi trộn, axeton vào cloroform, thu nhiệt, làm cho dung dịch dị thể
3. Dung dịch ion
Ví dụ hòa tan muối ăn vào nước, nước phân cực lớn, muối ăn có cấu trúc mạng lưới tinh thể, khi hòa tan ion Na+ bị bao bọc bởi một số phân tử nước: gọi là ion hyđrat
Quá trình hòa tan tinh thể ion vào nước có thể thu nhiệt (NaNO3, NH4NO3)
hoặc tỏa nhiệt CaCl2, AlCl3…
9.3 ĐỘ TAN
Dung dịch ở trạng thái khi quá trình hòa tan và kết tinh đạt cân bằng gọi là dung dịch bão hòa

Độ tan là đại lượng đặc trưng cho khả năng hòa tan của các chất trong dung môi.Trong thực tế người ta thường biểu thị độ tan bằng số gam chất tan trong 100g d. môi
Nồng độ của chất tan trong dd bảo hòa ở những điều kiện xác định được gọi là độ tan của chất đó
9.3.1 Khái niệm
Thông thường những chất có độ tan trong nước
+Trên 10g/100g nước là chất dễ tan
+Dưới 1 g/100 g nước là chất khó tan
+ Dưới 0,1 g /100g nước coi như không tan
Dung dịch bão hòa và chưa bảo hòa
Ví dụ hòa tan: NaCl vào nước ở 200C
Dung dịch bão hòa
36.0 g NaCl/100 mL
4.0 gNaCl không hòa tan
Dung dịch có lượng chất tan thấp hơn lượng chất tan chứa trong dung dịch bão hòa gọi dung dịch chưa bão hòa, còn dung dịch chứa chất tan lớn hơn lượngchất tan trong dung dịchbão hòa gọi là dung dịch quá bảo hòa
Dung dịch quá bão hòa
chưa bão hòa
bão hòa
chưa bão hòa
Quá bão hòa
bão hòa
Làm lạnh chậm
9.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan

1.Ảnh hưởng của
nhiệt độ tới độ tan
 Đối với chất rắn nói chung t0 tăng độ tan tăng.
Trong một số trường hợp đặc biệt như Na2SO4 độ tan tăng khi tăng t0 đến 32,380C, sau đó giảm khi tăng nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ tan
 Đối với chất lỏng
+ Các chất lỏng tan hoàn toàn vào nhau: nhiệt độ nói chung không ảnh hưởng
+ Các chất lỏng tan hạn chế với nhau: khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng đến nhiệt độ mà chúng tan với nhau bất kỳ tỉ lệ nào. Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ tới hạn
+ Các chất lỏng không hoàn toàn tan vào nhau
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ tan
Đối với chất khí:
Độ tan của chất khí giảm
khi nhiệt độ tăng

Tuy nhiên, khi hòa tan chất khí
vào dung môi hữu cơ thường
thu nhiệt, trong trường hợp như
vậy tăng nhiệt độ thì độ tan tăng
2 Ảnh hưởng của áp suất tới độ tan
Định luật Henry: Ở nhiệt độ không đổi, độ tan của chất khí tỷ lệ thuận với áp suất khí
C = k Pkhí
C là nồng độ khí trong dd bão hòa,k hằng số. P là áp suất riêng phần
Định luật Dalton:
Độ tan của chất khí vào chất lỏng tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí đó
9.4 Áp suất hơi của dung dịch
9.4.1 Áp suất hơi bão hòa của chất lỏng nguyên chất
Bay hơi (H>0)
Chất lỏng Chất hơi
Ngưng tụ (H<0)
Hơi cân bằng với chất lỏng gọi là hơi bảo hòa
Áp suất do hơi bão hòa gây ra trên bề mặt chất lỏng gọi là áp suất hơi bão hòa.


9.4.2 Áp suất hơi bão hòa của dung dịch chứa chất tan không bay hơi

Nước lỏng Hơi
Khi thêm chất tan không bay hơi vào dung môi lỏng (vd nước) thì áp suất hơi bão hòa của nước giảm
Do đó cân bằng phải chuyển dịch về phía trái và áp suất hơi nước giảm tức là áp suất hơi bảo hòa của dd giảm
 ΔP= Po- P1: là độ giảm tuyệt đối áp suất hơi bão hòa
 ΔP/Po: là độ giảm tương đối áp suất hơi bão hòa
Định luật Raoult 1: Độ giảm tương đối áp suất hơi bão hoà của dung dịch loãng chứa chất hoà tan không bay hơi tỷ lệ với số mol của chất hoà tan có trong một lượng dung môi xác định (bằng phần mol chất tan trong dung dịch)

A =

Do đó ΔP ≈ A P0 ,
Áp suất hơi của dung dịch
số mol chất tan A
số mol dung môi
9.5 Nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc dd
9.5.1 Nhiệt độ sôi của một chất lỏng
Nhiệt độ sôi của chất lỏng là nhiệt độ tại đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất ngoài.
Nhiệt độ sôi của dung dịch có chất tan không điện ly
Dung dịch có áp suất hơi bão hòa nhỏ hơn dung môi nguyên chất , do đó:
Tsdd > Tsdm
Định luật Raoult : Độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch loãng chứa chất tan không điện ly tỷ lệ với lượng chất tan có trong một lượng dung môi xác định ( tỉ lệ với nồng độ molan của dung dịch)
DTs = Tdd - Tdm
(DTs = nhiệt độ sôi dd- nhiệt độ sôi dm)
DTs = ks .Cm
ks hằng số nghiệm sôi dung môi (độ.kg/mol)
Cm nồng độ molan
9.5.2 Nhiệt độ đông đặc của một chất lỏng
Là nhiệt độ tại đó áp suất hơi trên bề mặt pha lỏng bằng áp suất hơi trên bề mặt pha rắn.
Nhiệt độ đông đặc của dung dịch
Định luật Raoult: Độ hạ nhiệt độ đông đặc của dung dịch loãng chứa chất tan không điện ly tỷ lệ với lượng chất tan có trong một lượng dung môi xác định( tỉ lệ thuận với nồng độ molan của dung dịch)
DT = Tdm - Tdd
(DTđ = nhiệt độ đông đặc dm- nhiệt độ đông đặc dd)
DTđ = kđ Cm
Kđ:hằng số nghiệm lạnh dung môi (độ.kg/mol)
Cm : nồng độ molan
Định luật Raoult II: Độ tăng nhiệt độ sôi hay độ hạ nhiệt độ đông đặc của dung dịch loãng chất tan không bay hơi (không điện ly) tỷ lệ thuận với nồng độ molan chất tan trong dung dịch
Ts = ks.Cm
Tđ = kđCm

9.6 Áp suất thẩm thấu và định luật VanHoff
Dung dịch
đường
Nước
9.6.1 Khái niệm về sự thẩm thấu
Màng bán thấm là màng có tính chất chỉ cho sự khuếch tán một chiều
Sự thẩm thấu: là hiện tượng khuyếch tán một chiều các tiểu phân dung môi qua màng bán thấm
9.6.2 Áp suất thẩm thấu và định luật VanHoff
1. Áp suất thẩm thấu: Áp suất thẩm thấu của dung dịch bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên dung dịch để cho hiện tượng thẩm thấu không xảy ra
Áp suất thẩm thấu của dung dịch không phụ thuộc vào bản chất tan và dung môi mà chỉ phụ thuộc vào số lượng tiểu phân chất tan
Áp suất thẩm thấu của dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ chất tan và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch
π = R C T

Áp suất thẩm thấu và định luật VanHoff
π = R C T
Thay C = n/V ta có:
π V= nRT
Trong đó π: áp suất thẩm thấu (atm)
C: nồng độ mol chất tan;
T: nhiệt độ tuyệt đối
R: hằng số khí lý tưởng (~0,082 l.atm.K-1)

2. Định luật VanHoff
Áp suất thẩm thấu của dung dịch có độ lớn bằng áp suất bằng áp suất gây ra bởi chất tan, nếu như ở cùng nhiệt độ đó, nó ở trạng thái khí và chiếm thể tích bằng thể tích dung dịch
Ứng dụng của hiện tượng thẩm thấu
Nước
Nước muối
màng