Tính chất tập hợp của dung dịch

Tính chất tập hợp là những tính chất của dung dịch phụ thuộc chủ yếu vào số lượng hạt chất tan, chứ không phụ thuộc vào bản chất của các hạt đó. Trong hóa học đại cương, các công thức quen thuộc thường áp dụng tốt nhất cho dung dịch loãng và thường giả sử chất tan là không bay hơi.

Nếu chỉ nhớ một ý, hãy nhớ điều này: thêm các hạt chất tan sẽ làm thay đổi mức độ dễ dàng để các phân tử dung môi thoát ra, đông đặc hoặc đi qua màng. Vì vậy, áp suất hơi giảm, nhiệt độ sôi tăng, nhiệt độ đông đặc giảm và xuất hiện áp suất thẩm thấu.

Bốn tính chất tập hợp

Bốn tính chất tập hợp tiêu chuẩn là hạ áp suất hơi, tăng nhiệt độ sôi, hạ nhiệt độ đông đặc và áp suất thẩm thấu.

Hạ áp suất hơi

Với một dung dịch lý tưởng có chất tan không bay hơi, định luật Raoult cho

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Ở đây, $X_{\text{solvent}}$ là phần mol của dung môi và $P^0_{\text{solvent}}$ là áp suất hơi của dung môi nguyên chất. Vì khi thêm chất tan thì $X_{\text{solvent}} < 1$, nên dung dịch có áp suất hơi thấp hơn dung môi nguyên chất.

Tăng nhiệt độ sôi

Đối với dung dịch loãng,

$$\Delta T_b = i K_b m$$

Nhiệt độ sôi tăng vì dung dịch phải được đun nóng nhiều hơn trước khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài.

Hạ nhiệt độ đông đặc

Đối với dung dịch loãng,

$$\Delta T_f = i K_f m$$

Nhiệt độ đông đặc giảm vì các hạt chất tan hòa tan làm dung môi khó tạo thành cấu trúc rắn có trật tự hơn.

Áp suất thẩm thấu

Đối với dung dịch loãng,

$$\pi = i M R T$$

Áp suất thẩm thấu là áp suất cần thiết để ngăn dòng dung môi thuần đi qua màng bán thấm.

Trong các công thức này, $i$ là hệ số van't Hoff, $m$ là nồng độ molan, $M$ là nồng độ mol, còn $K_b$ và $K_f$ phụ thuộc vào dung môi.

Vì sao số hạt lại quan trọng

Một chất không điện li như glucose thường tồn tại dưới dạng các phân tử nguyên vẹn trong dung dịch, nên 1 mol thường cho khoảng 1 mol hạt chất tan. Một chất điện li như natri clorua có thể tạo ra nhiều hạt hơn vì nó phân li thành các ion.

Đó là lý do vì sao cùng một lượng các chất tan khác nhau không phải lúc nào cũng cho hiệu ứng tập hợp như nhau. Trong các bài toán nhập môn, số hạt thường được xử lý bằng hệ số van't Hoff $i$. Trong dung dịch thực, đặc biệt ở nồng độ cao hơn, hiệu ứng thực tế có thể khác với ước tính lý tưởng đơn giản.

Ví dụ mẫu: Hạ nhiệt độ đông đặc

Giả sử bạn hòa tan glucose vào nước để tạo dung dịch $0.50\ \mathrm{m}$. Với nước,

$$K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$$

Vì glucose là chất không điện li trong ngữ cảnh này, lấy

$$i = 1$$

Bây giờ tính độ thay đổi nhiệt độ đông đặc:

$$\Delta T_f = i K_f m = (1)(1.86)(0.50) = 0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Nước nguyên chất đông đặc ở $0.00\ ^\circ\mathrm{C}$, nên nhiệt độ đông đặc mới là

$$0.00 - 0.93 = -0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Vậy dung dịch này đông đặc ở

$$-0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Ví dụ này cho thấy ý chính: độ lớn của sự thay đổi xuất phát từ số hạt. Nếu vẫn giữ nguyên nồng độ molan nhưng dùng một chất tan tạo ra nhiều hạt hơn, thì độ hạ nhiệt độ đông đặc sẽ lớn hơn.

Những lỗi thường gặp với tính chất tập hợp

Dùng công thức ngoài điều kiện áp dụng tốt nhất

Các công thức tính chất tập hợp tiêu chuẩn đáng tin cậy nhất với dung dịch loãng. Nếu dung dịch đậm đặc hoặc lệch lý tưởng mạnh, các công thức đơn giản sẽ kém chính xác hơn.

Xem đơn vị công thức và số hạt là một

1 mol đơn vị công thức hòa tan không phải lúc nào cũng là 1 mol hạt hòa tan. Chất điện li có thể tách thành ion, nên hiệu ứng tập hợp có thể lớn hơn so với chất không điện li ở cùng nồng độ.

Nhầm giữa nồng độ molan và nồng độ mol

Đối với tăng nhiệt độ sôi và hạ nhiệt độ đông đặc, các công thức tiêu chuẩn dùng nồng độ molan. Áp suất thẩm thấu dùng nồng độ mol trong dạng quen thuộc cho dung dịch loãng.

Cho rằng mọi chất tan đều không bay hơi

Mô hình đơn giản về hạ áp suất hơi rõ ràng nhất khi chất tan không bay hơi đáng kể. Nếu cả hai cấu tử đều bay hơi, bạn cần một mô hình cẩn thận hơn.

Tính chất tập hợp xuất hiện ở đâu

Tính chất tập hợp xuất hiện trong chất chống đông, rải muối trên đường, bảo quản thực phẩm, cân bằng nước trong tế bào, thẩm thấu ngược và một số phép đo khối lượng mol. Cùng một ý tưởng xuyên suốt tất cả các ứng dụng này: các hạt chất tan làm thay đổi cách dung môi ứng xử như một hệ khối.

Thử một bài tương tự

Hãy tự làm một phiên bản với dung dịch glucose $1.00\ \mathrm{m}$ trong nước. Dùng cùng giá trị $K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$ và tìm nhiệt độ đông đặc mới. Sau đó so sánh với trường hợp $0.50\ \mathrm{m}$ để thấy trực tiếp mối liên hệ với số hạt.