Nồng độ — Nồng độ mol, nồng độ molan & pha loãng

Trong hóa học, nồng độ cho biết lượng chất tan có mặt so với một lượng dung dịch hoặc dung môi được chọn làm mốc. Những dạng học sinh thường gặp nhất là nồng độ mol, nồng độ molan và mối quan hệ pha loãng đối với nồng độ mol.

Cách phân biệt nhanh rất đơn giản: nồng độ mol dùng lít dung dịch, còn nồng độ molan dùng kilôgam dung môi. Nếu bạn luôn xác định đúng mẫu số này, phần lớn bài toán về nồng độ sẽ dễ hơn nhiều.

Nồng độ trong hóa học có nghĩa là gì

Nếu một dung dịch có nồng độ lớn hơn dung dịch khác, thì nó chứa nhiều chất tan hơn với cùng một lượng mốc so sánh. Lượng mốc này rất quan trọng.

• Nồng độ mol so sánh lượng chất tan với thể tích toàn bộ dung dịch.
• Nồng độ molan so sánh lượng chất tan với khối lượng riêng của dung môi.

Vì vậy, "nồng độ" là một khái niệm rộng, không phải chỉ là một công thức duy nhất.

Nồng độ mol: Số mol trên mỗi lít dung dịch

Nồng độ mol được ký hiệu là $M$ và được định nghĩa bởi

$$M = \frac{n}{V}$$

trong đó $n$ là số mol chất tan và $V$ là thể tích dung dịch cuối cùng tính bằng lít.

Một dung dịch $0.50\ \mathrm{M}$ chứa $0.50$ mol chất tan trong mỗi lít dung dịch. Cụm từ "dung dịch" ở đây rất quan trọng. Nếu bạn hòa tan chất tan rồi thêm dung môi đến vạch $1.00\ \mathrm{L}$, thì chính thể tích cuối cùng $1.00\ \mathrm{L}$ đó là giá trị cần dùng.

Vì nồng độ mol phụ thuộc vào thể tích, nó có thể thay đổi nếu nhiệt độ thay đổi đủ nhiều để làm thể tích dung dịch biến đổi đáng kể.

Nồng độ molan: Số mol trên mỗi kilôgam dung môi

Nồng độ molan được ký hiệu là $m$ và được định nghĩa bởi

$$m = \frac{n}{m_{\mathrm{solvent}}}$$

trong đó $n$ là số mol chất tan và $m_{\mathrm{solvent}}$ là khối lượng dung môi tính bằng kilôgam.

Ở đây, lượng mốc là riêng phần dung môi, không phải toàn bộ dung dịch. Nếu bạn hòa tan $0.50$ mol chất tan trong $1.00\ \mathrm{kg}$ nước, thì nồng độ molan là $0.50\ m$.

Vì nồng độ molan dựa trên khối lượng, nó thường hữu ích hơn khi sự thay đổi nhiệt độ khiến các phép đo dựa trên thể tích trở nên kém thuận tiện.

Nồng độ mol và nồng độ molan: Khác nhau ở điểm quan trọng nào

Học sinh thường nhớ công thức nhưng lại không nhớ khi nào nên dùng công thức nào. Một cách thực tế để phân biệt là:

• Dùng nồng độ mol khi bài toán cho hoặc hỏi thể tích dung dịch.
• Dùng nồng độ molan khi bài toán cho hoặc hỏi khối lượng dung môi.

Trong các dung dịch nước loãng, giá trị số của chúng có thể gần nhau, nhưng chúng không được định nghĩa theo cùng một cách. Bạn không nên thay thế lẫn nhau trừ khi bài toán cho đủ dữ kiện để chuyển đổi đúng.

Ví dụ có lời giải: Tìm nồng độ mol và nồng độ molan cho cùng một mẫu

Giả sử $0.300$ mol glucose được hòa tan để tạo thành $600\ \mathrm{mL}$ dung dịch, và dung môi dùng là $0.500\ \mathrm{kg}$ nước.

Bắt đầu với nồng độ mol. Đổi $600\ \mathrm{mL}$ thành $0.600\ \mathrm{L}$ vì nồng độ mol dùng lít dung dịch:

$$M = \frac{0.300}{0.600} = 0.500\ \mathrm{M}$$

Bây giờ tính nồng độ molan bằng khối lượng dung môi:

$$m = \frac{0.300}{0.500} = 0.600\ m$$

Cùng một mẫu này có hai giá trị nồng độ khác nhau vì mỗi định nghĩa dùng một mẫu số khác nhau. Nồng độ mol dùng $0.600\ \mathrm{L}$ dung dịch, còn nồng độ molan dùng $0.500\ \mathrm{kg}$ dung môi.

Phương trình pha loãng hoạt động như thế nào

Trong quá trình pha loãng, bạn thêm nhiều dung môi hơn nhưng giữ nguyên lượng chất tan. Nếu chất tan không phản ứng và không bị mất đi, thì số mol trước và sau khi pha loãng là bằng nhau.

Đối với các bài toán nồng độ mol, điều đó cho ta phương trình pha loãng quen thuộc

$$M_1 V_1 = M_2 V_2$$

Điều này đúng vì

$$n_1 = n_2$$

và với nồng độ mol, $n = MV$.

Ví dụ về pha loãng

Nếu bạn lấy $100\ \mathrm{mL}$ của dung dịch $1.50\ \mathrm{M}$ rồi pha loãng đến $300\ \mathrm{mL}$, thì

$$M_2 = \frac{M_1 V_1}{V_2} = \frac{(1.50)(100)}{300} = 0.50\ \mathrm{M}$$

Nồng độ giảm xuống vì cùng một lượng chất tan được phân bố trong một thể tích cuối cùng lớn hơn.

Những lỗi thường gặp khi làm bài toán nồng độ

Dùng khối lượng dung dịch cho nồng độ molan

Nồng độ molan dùng kilôgam dung môi, không phải kilôgam dung dịch.

Dùng thể tích dung môi cho nồng độ mol

Nồng độ mol dùng thể tích cuối cùng của toàn bộ dung dịch.

Dùng $M_1 V_1 = M_2 V_2$ trong tình huống không phù hợp

Công thức rút gọn này dùng cho sự pha loãng của cùng một chất tan khi số mol được bảo toàn. Nó không áp dụng nếu một phản ứng làm thay đổi lượng chất tan.

Xem nồng độ mol và nồng độ molan là có thể thay thế cho nhau

Chúng mô tả nồng độ theo những cách khác nhau. Trong một số trường hợp dung dịch loãng, các giá trị số có thể gần giống nhau, nhưng định nghĩa vẫn khác nhau.

Khi nào các nhà hóa học dùng nồng độ mol hoặc nồng độ molan

Nồng độ mol rất phổ biến trong pha chế trong phòng thí nghiệm, chuẩn độ và các bài toán stoichiometry của dung dịch vì thể tích dễ đo bằng bình định mức và pipet.

Nồng độ molan đặc biệt hữu ích trong các chủ đề như tính chất tập hợp, nơi một đại lượng nồng độ dựa trên khối lượng thường thuận tiện hơn.

Kiểm tra nhanh trước khi hoàn thành

Hãy tự hỏi ba câu:

1. Mình đã dùng số mol chất tan chưa?
2. Mình đã dùng lít dung dịch cho nồng độ mol hay kilôgam dung môi cho nồng độ molan chưa?
3. Nếu mình dùng phương trình pha loãng, lượng chất tan có thực sự giữ nguyên không?

Tự thử một phiên bản khác

Hãy thay đổi ví dụ đã giải sao cho cùng $0.300$ mol glucose được pha thành $1.20\ \mathrm{L}$ thay vì $600\ \mathrm{mL}$. Tính lại nồng độ mol, rồi kiểm tra xem nồng độ molan có thay đổi trong cách thiết lập mới đó không. Đây là cách tốt để kiểm tra xem bạn có thực sự hiểu mỗi định nghĩa dùng mẫu số nào hay chưa.