Độ tan và các quy tắc liên quan (Solubility and related rules)

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan:

• Bản chất của chất tan và dung môi: “Giống hòa tan giống” là nguyên tắc chung. Các chất phân cực có xu hướng hòa tan trong dung môi phân cực (ví dụ: muối hòa tan trong nước), và các chất không phân cực hòa tan trong dung môi không phân cực (ví dụ: dầu hòa tan trong xăng).
• Nhiệt độ: Độ tan của chất rắn trong chất lỏng thường tăng khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, độ tan của khí trong chất lỏng thường giảm khi nhiệt độ tăng.
• Áp suất: Áp suất ảnh hưởng đáng kể đến độ tan của khí trong chất lỏng. Độ tan của khí tăng khi áp suất tăng. Định luật Henry biểu thị mối quan hệ này: $C = kP$, trong đó C là nồng độ khí trong dung dịch, k là hằng số Henry, và P là áp suất riêng phần của khí trên dung dịch.
• Kích thước hạt: Chất tan dạng bột mịn sẽ hòa tan nhanh hơn chất tan dạng cục lớn do diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn.
• Sự có mặt của các ion chung: Hiệu ứng ion chung làm giảm độ tan của một muối ít tan khi trong dung dịch đã có sẵn một ion giống với một trong các ion của muối đó.

Các quy tắc về độ tan của một số hợp chất ion phổ biến trong nước

• Muối nitrat ($NO_3^-$): Tất cả các muối nitrat đều tan.
• Muối axetat ($CH_3COO^-$): Hầu hết các muối axetat đều tan.
• Muối clorua ($Cl^-$), bromua ($Br^-$), và iotua ($I^-$): Hầu hết đều tan, ngoại trừ các muối của $Ag^+$, $Pb^{2+}$, và $Hg_2^{2+}$.
• Muối sunfat ($SO_4^{2-}$): Hầu hết đều tan, ngoại trừ các muối của $Ba^{2+}$, $Sr^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Ca^{2+}$ (ít tan), và $Ag^+$ (ít tan).
• Muối sunfua ($S^{2-}$): Hầu hết đều không tan, ngoại trừ các muối của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, và $NH_4^+$.
• Muối hiđroxit ($OH^-$): Hầu hết đều không tan, ngoại trừ các muối của kim loại kiềm, $Ba^{2+}$, $Sr^{2+}$ (ít tan), và $Ca^{2+}$ (ít tan).
• Muối cacbonat ($CO_3^{2-}$), photphat ($PO_4^{3-}$), oxalat ($C_2O_4^{2-}$), và cromat ($CrO_4^{2-}$): Hầu hết đều không tan, ngoại trừ các muối của kim loại kiềm và $NH_4^+$.

Ứng dụng của độ tan

Độ tan là một khái niệm quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Hóa học: Dùng để tách và tinh chế các chất.
• Sinh học: Ảnh hưởng đến sự hấp thụ chất dinh dưỡng và vận chuyển thuốc trong cơ thể.
• Môi trường: Liên quan đến ô nhiễm nước và không khí.
• Địa chất: Giải thích sự hình thành khoáng sản và đá.
• Công nghiệp: Ứng dụng trong sản xuất thuốc, thực phẩm, và vật liệu.

Lưu ý: Các quy tắc trên chỉ mang tính chất tổng quát và có một số ngoại lệ. Việc tra cứu bảng độ tan chi tiết là cần thiết để có thông tin chính xác hơn.

Tích số tan (Solubility Product)

Đối với các chất điện li ít tan, độ tan được biểu thị bằng tích số tan ($K{sp}$). $K{sp}$ là hằng số cân bằng cho phản ứng hòa tan của chất điện li rắn trong nước. Ví dụ, đối với muối $A_xBy$ ít tan, phản ứng hòa tan và biểu thức $K{sp}$ được viết như sau:

$A_xB_y(s) \rightleftharpoons xA^{y+}(aq) + yB^{x-}(aq)$

$K_{sp} = [A^{y+}]^x[B^{x-}]^y$

Trong đó, $[A^{y+}]$ và $[B^{x-}]$ là nồng độ mol của các ion trong dung dịch bão hòa. Giá trị $K_{sp}$ càng lớn thì độ tan của chất càng cao.

Mối liên hệ giữa độ tan (s) và tích số tan ($K_{sp}$)

Độ tan (s) và $K_{sp}$ có mối liên hệ với nhau thông qua phương trình cân bằng. Ví dụ, đối với muối $A_xB_y$:

Nếu độ tan là s (mol/L), thì $[A^{y+}] = xs$ và $[B^{x-}] = ys$. Do đó:

$K_{sp} = (xs)^x(ys)^y = x^xy^ys^{x+y}$

Từ đó, ta có thể tính độ tan (s) từ $K_{sp}$ hoặc ngược lại.

Ảnh hưởng của pH đến độ tan

Độ tan của một số chất, đặc biệt là các hiđroxit và muối của các axit yếu, phụ thuộc vào pH của dung dịch. Ví dụ, độ tan của hiđroxit kim loại ($M(OH)_n$) tăng khi pH giảm (môi trường axit) do phản ứng:

$M(OH)_n(s) + nH^+(aq) \rightleftharpoons M^{n+}(aq) + nH_2O(l)$

Ảnh hưởng của phức chất đến độ tan

Sự tạo phức có thể làm tăng độ tan của một chất ít tan. Ví dụ, $AgCl$ ít tan trong nước, nhưng tan trong dung dịch $NH_3$ do tạo phức $[Ag(NH_3)_2]^+$.

$AgCl(s) + 2NH_3(aq) \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+(aq) + Cl^-(aq)$

Ứng dụng của tích số tan

Tích số tan được sử dụng để dự đoán sự kết tủa, tính toán độ tan, và điều khiển các phản ứng kết tủa trong phân tích định tính và định lượng.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Zumdahl, S. S., & DeCoste, D. J. (2017). Chemical Principles. Cengage Learning.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa dung dịch bão hòa, chưa bão hòa và siêu bão hòa?

Trả lời:

• Dung dịch chưa bão hòa: Chứa lượng chất tan ít hơn lượng tối đa có thể hòa tan ở nhiệt độ đó. Có thể hòa tan thêm chất tan.
• Dung dịch bão hòa: Chứa lượng chất tan tối đa có thể hòa tan ở nhiệt độ đó. Thêm chất tan sẽ không hòa tan nữa.
• Dung dịch siêu bão hòa: Chứa lượng chất tan nhiều hơn lượng tối đa có thể hòa tan ở nhiệt độ đó. Dung dịch này không ổn định và chất tan sẽ kết tinh khi có tác động nhỏ.

Tại sao độ tan của khí trong chất lỏng lại giảm khi nhiệt độ tăng?

Trả lời: Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động học của các phân tử khí tăng, làm cho chúng dễ dàng thoát ra khỏi dung dịch.

Tích số tan ($K_{sp}$) có ý nghĩa gì trong việc dự đoán sự kết tủa?

Trả lời: Nếu tích ion ($Q$) của một dung dịch vượt quá giá trị $K{sp}$ của chất ít tan, chất đó sẽ kết tủa cho đến khi $Q = K{sp}$. Ngược lại, nếu $Q < K_{sp}$, sẽ không có kết tủa xảy ra.

Làm thế nào để tính độ tan (s) của một chất từ giá trị $K_{sp}$ của nó?

Trả lời: Sử dụng mối quan hệ giữa $K_{sp}$ và độ tan (s) dựa trên phương trình cân bằng. Ví dụ, đối với muối $A_xBy$, $K{sp} = x^xy^ys^{x+y}$. Từ đó, ta có thể tính s.

Cho ví dụ về ứng dụng của độ tan trong đời sống hàng ngày.

Trả lời:

• Pha cà phê: Cà phê hòa tan là ứng dụng của độ tan của các chất rắn trong nước.
• Giặt quần áo: Bột giặt chứa các chất hoạt động bề mặt giúp tăng độ tan của dầu mỡ trong nước, giúp loại bỏ vết bẩn trên quần áo.
• Nấu ăn: Muối và đường hòa tan trong nước để tạo vị mặn và ngọt cho thức ăn.