Nồng độ dung dịch (Solution concentration)

1. Nồng độ phần trăm (%): Đây là một cách biểu thị đơn giản, thường được sử dụng trong đời sống hàng ngày và một số ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Có ba loại nồng độ phần trăm thường gặp:

• Nồng độ phần trăm khối lượng (% w/w): Là tỉ lệ giữa khối lượng chất tan và khối lượng dung dịch, nhân với 100%.$C\% (w/w) = \frac{m{ct}}{m{dd}} \times 100\%$

  Trong đó:

  • $m_{ct}$: Khối lượng chất tan (g)
  • $m_{dd}$: Khối lượng dung dịch (g) ($m_{dd} = m_{ct} + m_{dm}$)
  • $m_{dm}$: Khối lượng dung môi (g)
• Nồng độ phần trăm thể tích (% v/v): Là tỉ lệ giữa thể tích chất tan và thể tích dung dịch, nhân với 100%. Thường dùng cho dung dịch lỏng-lỏng. Cần lưu ý rằng thể tích dung dịch không phải lúc nào cũng bằng tổng thể tích chất tan và dung môi.$C\% (v/v) = \frac{V{ct}}{V{dd}} \times 100\%$

  Trong đó:

  • $V_{ct}$: Thể tích chất tan (ml hoặc l)
  • $V_{dd}$: Thể tích dung dịch (ml hoặc l)
• Nồng độ phần trăm khối lượng/thể tích (% w/v): Là tỉ lệ giữa khối lượng chất tan (g) và thể tích dung dịch (ml hoặc l), nhân với 100%. Cách biểu thị này thường được sử dụng khi chất tan là chất rắn và dung môi là chất lỏng.$C\% (w/v) = \frac{m{ct}}{V{dd}} \times 100\%$

  Trong đó:

  • $m_{ct}$: Khối lượng chất tan (g)
  • $V_{dd}$: Thể tích dung dịch (ml hoặc l)

Nồng Độ Mol và Các Đơn Vị Liên Quan

Bên cạnh nồng độ phần trăm, còn có một số cách biểu thị nồng độ khác dựa trên số mol, cung cấp thông tin về số lượng tuyệt đối của các hạt chất tan trong dung dịch.

2. Nồng độ mol (Molarity – M): Là số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch. Nồng độ mol được sử dụng rộng rãi trong các phép tính hóa học và phản ứng dung dịch.

$CM = \frac{n{ct}}{V_{dd}(l)}$

Trong đó:

• $n_{ct}$: Số mol chất tan (mol)
• $V_{dd}$: Thể tích dung dịch (l)

3. Nồng độ molan (Molality – m): Là số mol chất tan có trong 1 kg dung môi. Khác với nồng độ mol, nồng độ molan không phụ thuộc vào nhiệt độ vì khối lượng không thay đổi theo nhiệt độ.

$Cm = \frac{n{ct}}{m_{dm}(kg)}$

Trong đó:

• $n_{ct}$: Số mol chất tan (mol)
• $m_{dm}$: Khối lượng dung môi (kg)

4. Nồng độ phần mol (Mole fraction – X): Là tỉ lệ giữa số mol của một thành phần (chất tan hoặc dung môi) và tổng số mol của tất cả các thành phần trong dung dịch. Tổng nồng độ phần mol của tất cả các thành phần trong dung dịch luôn bằng 1.

$X_i = \frac{ni}{n{tổng}}$

Trong đó:

• $n_i$: Số mol của thành phần i
• $n_{tổng}$: Tổng số mol của tất cả các thành phần

Các Đơn Vị Nồng Độ Khác và Ứng Dụng

Ngoài các đơn vị nồng độ phổ biến đã nêu, còn một số đơn vị khác được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt, ví dụ như khi nồng độ chất tan rất nhỏ.

5. Parts per million (ppm) và Parts per billion (ppb): Dùng để biểu thị nồng độ rất nhỏ của chất tan, thường dùng trong phân tích môi trường và vi lượng.

• $ppm = \frac{khối\ lượng\ chất\ tan}{khối\ lượng\ dung\ dịch} \times 10^6$
• $ppb = \frac{khối\ lượng\ chất\ tan}{khối\ lượng\ dung\ dịch} \times 10^9$

Cần lưu ý rằng ppm và ppb cũng có thể được định nghĩa dựa trên thể tích, đặc biệt là khi nói về nồng độ của khí trong không khí.

Ứng Dụng của Nồng Độ Dung Dịch

Nồng độ dung dịch là một khái niệm quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Hóa học: Tính toán lượng chất phản ứng, pha chế dung dịch, xác định hằng số cân bằng.
• Sinh học: Duy trì môi trường sống cho tế bào, nghiên cứu các phản ứng sinh hóa.
• Y học: Pha chế thuốc, truyền dịch.
• Môi trường: Đánh giá mức độ ô nhiễm.
• Công nghiệp: Kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Việc lựa chọn cách biểu thị nồng độ phụ thuộc vào mục đích sử dụng và tính chất của dung dịch.

Nồng Độ đương lượng (Normality) và Pha Loãng

6. Normality (N): Nồng độ đương lượng (Normality) biểu thị số đương lượng gam chất tan có trong 1 lít dung dịch. Đương lượng gam của một chất phụ thuộc vào phản ứng hóa học mà chất đó tham gia.

$N = \frac{Số\ đương\ lượng\ gam\ chất\ tan}{V_{dd}(l)}$

Ví dụ, đối với axit, đương lượng gam bằng khối lượng phân tử chia cho số nguyên tử H có thể thay thế; đối với bazơ, đương lượng gam bằng khối lượng phân tử chia cho số nhóm OH. Ngày nay, Nồng độ đương lượng ít được sử dụng hơn so với trước đây.

7. Pha loãng (Dilution): Pha loãng là quá trình làm giảm nồng độ của dung dịch bằng cách thêm dung môi. Công thức pha loãng thường được sử dụng là:

$C_1V_1 = C_2V_2$

Trong đó:

• $C_1$: Nồng độ ban đầu
• $V_1$: Thể tích ban đầu
• $C_2$: Nồng độ sau khi pha loãng
• $V_2$: Thể tích sau khi pha loãng

Công thức này dựa trên nguyên tắc bảo toàn lượng chất tan trước và sau khi pha loãng.

Chuyển Đổi Giữa Các Đơn Vị Nồng Độ và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng

8. Chuyển đổi giữa các đơn vị nồng độ: Việc chuyển đổi giữa các đơn vị nồng độ khác nhau thường cần thiết trong thực tế. Việc chuyển đổi này thường dựa trên các mối quan hệ giữa khối lượng, thể tích, số mol và khối lượng mol của chất tan và dung dịch. Ví dụ, để chuyển từ nồng độ phần trăm khối lượng sang nồng độ mol, cần biết khối lượng riêng của dung dịch.
9. Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ: Nồng độ dung dịch có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất (đối với khí) và sự bay hơi của dung môi. Sự hòa tan của chất tan cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó nồng độ dung dịch bão hòa sẽ thay đổi theo nhiệt độ.

• Hóa học Đại cương, NXB Giáo dục Việt Nam.
• Atkins’ Physical Chemistry, Peter Atkins, Julio de Paula, Oxford University Press.
• Chemistry: The Central Science, Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten, Catherine J. Murphy, Patrick M. Woodward, Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để chuyển đổi giữa nồng độ mol (M) và nồng độ molan (m)?

Trả lời: Việc chuyển đổi giữa nồng độ mol (M) và nồng độ molan (m) cần biết khối lượng riêng (d) của dung dịch và khối lượng mol (M) của chất tan. Công thức chuyển đổi như sau:

• Từ M sang m: $m = \frac{1000 \times M}{1000 \times d – M \times M_{ct}}$
• Từ m sang M: $M = \frac{1000 \times m \times d}{1000 + m \times M_{ct}}$

Trong đó:

• M là nồng độ mol (mol/L)
• m là nồng độ molan (mol/kg)
• d là khối lượng riêng của dung dịch (g/mL)
• $M_{ct}$ là khối lượng mol của chất tan (g/mol)

Tại sao nồng độ molan (m) lại ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn nồng độ mol (M)?

Trả lời: Nồng độ mol (M) được tính dựa trên thể tích dung dịch, mà thể tích lại thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, thể tích dung dịch thường tăng, dẫn đến giảm nồng độ mol. Trong khi đó, nồng độ molan (m) được tính dựa trên khối lượng dung môi, mà khối lượng không phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, nồng độ molan ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ.

Ngoài ppm và ppb, còn đơn vị nào khác dùng để biểu thị nồng độ rất nhỏ?

Trả lời: Ngoài ppm (parts per million) và ppb (parts per billion), còn có ppt (parts per trillion) được dùng để biểu thị nồng độ cực kỳ nhỏ. 1 ppt tương đương với 1 phần nghìn tỷ.

Nồng độ đương lượng (N) có ứng dụng gì trong hóa học?

Trả lời: Nồng độ đương lượng (N) thường được sử dụng trong các phép chuẩn độ, đặc biệt là trong hóa học phân tích. Nó giúp đơn giản hóa các tính toán trong chuẩn độ vì tỉ lệ đương lượng của các chất phản ứng luôn bằng 1:1.

Sự khác biệt chính giữa dung dịch bão hòa, chưa bão hòa và quá bão hòa là gì?

Trả lời:

• Dung dịch chưa bão hòa: Chứa lượng chất tan ít hơn lượng tối đa mà dung môi 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 mà dung môi có thể hòa tan ở nhiệt độ đó. Không thể hòa tan thêm chất tan.
• Dung dịch quá bão hòa: Chứa lượng chất tan nhiều hơn lượng tối đa mà dung môi có thể hòa tan ở nhiệt độ đó. Dung dịch này không ổn định và chất tan dư có thể kết tinh.