Nồng độ mol (Molarity/Molar concentration)

Công thức tính nồng độ mol:

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

Trong đó:

• $C_M$: Nồng độ mol (mol/L)
• $n$: Số mol chất tan (mol)
• $V$: Thể tích dung dịch (L)

Để tính số mol chất tan (n), ta có thể sử dụng công thức $n = \frac{m}{M}$, trong đó m là khối lượng chất tan (g) và M là khối lượng mol của chất tan (g/mol).

Pha chế Dung dịch có Nồng độ Mol xác định

Để pha chế một dung dịch có nồng độ mol xác định, ta cần thực hiện các bước sau:

1. Tính toán khối lượng chất tan cần dùng: Dựa vào nồng độ mol mong muốn ($C_M$) và thể tích dung dịch cần pha ($V$), ta tính được số mol chất tan cần dùng ($n$) theo công thức: $n = C_M \times V$. Sau đó, từ số mol ($n$) và khối lượng mol ($M$) của chất tan, ta tính được khối lượng chất tan cần dùng ($m$) theo công thức: $m = n \times M$.
2. Cân chính xác khối lượng chất tan đã tính toán. Nên sử dụng cân phân tích để đạt được độ chính xác cao.
3. Hòa tan chất tan vào một lượng dung môi nhỏ hơn thể tích dung dịch cần pha. Nên dùng bình định mức để đảm bảo thể tích chính xác. Khuấy đều cho đến khi chất tan hòa tan hoàn toàn.
4. Thêm dung môi từ từ vào bình định mức cho đến vạch thể tích mong muốn. Vừa thêm vừa khuấy đều để đảm bảo dung dịch đồng nhất. Lưu ý không đổ trực tiếp chất tan vào bình định mức rồi thêm dung môi vì có thể khó hòa tan hoàn toàn và thể tích dung dịch cuối cùng sẽ không chính xác.

Lưu ý:

• Thể tích dung dịch ($V$) trong công thức tính nồng độ mol là thể tích của dung dịch sau khi đã hòa tan chất tan, chứ không phải thể tích dung môi ban đầu.
• Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến thể tích dung dịch, do đó nồng độ mol cũng có thể thay đổi theo nhiệt độ. Thông thường, nồng độ mol được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn (25°C, 1 atm).
• Nồng độ mol thường được sử dụng cho các dung dịch loãng. Đối với dung dịch đậm đặc, người ta thường sử dụng các đại lượng khác như nồng độ phần trăm khối lượng, nồng độ molan,…

Ví dụ:

Để pha chế 250 mL dung dịch NaCl 0.1 M, ta cần:

1. Tính số mol NaCl cần dùng: $n = C_M \times V = 0.1 \text{ mol/L} \times 0.25 \text{ L} = 0.025 \text{ mol}$
2. Tính khối lượng NaCl cần dùng (biết khối lượng mol của NaCl là 58.44 g/mol): $m = n \times M = 0.025 \text{ mol} \times 58.44 \text{ g/mol} = 1.461 \text{ g}$
3. Cân 1.461 g NaCl và hòa tan vào một lượng nước nhỏ hơn 250 mL trong bình định mức.
4. Thêm nước từ từ vào bình định mức 250 mL cho đến vạch thể tích, vừa thêm vừa khuấy đều.

Vậy là ta đã có 250 mL dung dịch NaCl 0.1 M.

So sánh Nồng độ Mol (M) với các Đại lượng Nồng độ khác

Nồng độ mol thường bị nhầm lẫn với các đại lượng nồng độ khác, đặc biệt là nồng độ molan (molality – m) và nồng độ phần trăm khối lượng (% w/w). Cần phân biệt rõ ràng các đại lượng này:

• Nồng độ Molan (m): Biểu thị số mol chất tan có trong 1 kg dung môi. Công thức tính nồng độ molan là $m = \frac{n}{m{dung môi}}$, trong đó $m{dung môi}$ là khối lượng dung môi tính bằng kg. Nồng độ molan ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn nồng độ mol vì khối lượng không thay đổi theo nhiệt độ.
• Nồng độ phần trăm khối lượng (% w/w): Biểu thị khối lượng chất tan có trong 100g dung dịch. Công thức tính nồng độ phần trăm khối lượng là $\% w/w = \frac{m{chất tan}}{m{dung dịch}} \times 100\%$, trong đó $m{chất tan}$ là khối lượng chất tan và $m{dung dịch}$ là khối lượng dung dịch. Nồng độ phần trăm khối lượng cũng ít phụ thuộc vào nhiệt độ.

Ứng dụng của Nồng độ Mol

Nồng độ mol được sử dụng rộng rãi trong hóa học và các ngành khoa học liên quan, bao gồm:

• Phân tích hóa học: Xác định nồng độ của các chất trong mẫu phân tích.
• Hóa học phản ứng: Tính toán lượng chất tham gia và sản phẩm của phản ứng hóa học.
• Sinh học: Mô tả nồng độ của các chất trong dung dịch sinh học.
• Dược phẩm: Pha chế thuốc và dung dịch y tế.
• Kỹ thuật môi trường: Đo lường nồng độ các chất ô nhiễm trong nước và không khí.

Ưu điểm và Nhược điểm của việc sử dụng Nồng độ Mol

• Ưu điểm: Dễ dàng tính toán và sử dụng trong các phép tính hóa học. Liên quan trực tiếp đến số mol chất tan, thuận tiện cho việc tính toán trong các phản ứng hóa học.
• Nhược điểm: Phụ thuộc vào nhiệt độ do thể tích dung dịch thay đổi theo nhiệt độ. Không thích hợp cho các dung dịch đậm đặc. Đối với dung dịch đậm đặc, các tương tác giữa các phân tử chất tan trở nên đáng kể, làm cho thể tích dung dịch không còn tỷ lệ thuận với số mol chất tan nữa.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao nồng độ mol lại phụ thuộc vào nhiệt độ?

Trả lời: Nồng độ mol được định nghĩa là số mol chất tan trong một lít dung dịch. Thể tích của dung dịch, đặc biệt là dung dịch lỏng, thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, thể tích dung dịch thường tăng lên (do sự giãn nở nhiệt), dẫn đến giảm nồng độ mol (vì số mol chất tan không đổi). Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, thể tích dung dịch thường giảm xuống, dẫn đến tăng nồng độ mol.

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) yêu cầu biết khối lượng riêng (ρ) của dung dịch và khối lượng mol (M’) của chất tan. Công thức chuyển đổi như sau:

$m = \frac{M}{\rho – M \times M’}$

và

$M = \frac{m \times \rho}{1 + m \times M’}$

Trong đó:

• $m$: Nồng độ molan (mol/kg)
• $M$: Nồng độ mol (mol/L)
• $\rho$: Khối lượng riêng của dung dịch (g/mL hoặc kg/L)
• $M’$: Khối lượng mol của chất tan (g/mol hoặc kg/mol)

Nồng độ mol có ý nghĩa gì trong phản ứng hóa học?

Trả lời: Nồng độ mol đóng vai trò quan trọng trong động học hóa học, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Nồng độ mol càng cao, số lượng va chạm giữa các phân tử chất phản ứng càng nhiều, do đó tốc độ phản ứng càng nhanh. Trong các phép tính liên quan đến cân bằng hóa học, nồng độ mol được sử dụng để tính hằng số cân bằng.

Ngoài mol/L, còn đơn vị nào khác được sử dụng để biểu thị nồng độ mol?

Trả lời: Mặc dù mol/L (M) là đơn vị phổ biến nhất, nồng độ mol cũng có thể được biểu thị bằng các đơn vị khác như mmol/L (mM), µmol/L (µM), nmol/L (nM),… Các đơn vị này thường được sử dụng cho các dung dịch có nồng độ rất loãng, ví dụ như trong sinh hóa và phân tích dấu vết.

Khi nào nên sử dụng nồng độ molan thay vì nồng độ mol?

Trả lời: Nên sử dụng nồng độ molan khi cần một đại lượng nồng độ không phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì nồng độ molan được định nghĩa dựa trên khối lượng dung môi (không thay đổi theo nhiệt độ), nên nó không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ như nồng độ mol. Do đó, nồng độ molan thường được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan đến tính chất của dung dịch phụ thuộc vào nhiệt độ, ví dụ như tính chất colligative.