Chất lỏng

Trong lĩnh vực hóa học, một dung dịch là một loại hỗn hợp đồng nhất chỉ có một pha. Trong loại hỗn hợp này, chất tan là chất được hòa tan trong một chất khác, gọi là dung môi. Dung môi có vai trò trong quá trình hòa tan. Dung dịch mang đặc tính của dung môi, bao gồm pha của nó, và dung môi thường chiếm phần lớn trong dung dịch. Nồng độ của chất tan trong dung dịch phản ánh mức độ hòa tan của chất đó trong dung môi.

Các đặc điểm

• Dung dịch là một loại hỗn hợp đồng nhất.
• Các thành phần trong dung dịch không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
• Dung dịch không làm chùm ánh sáng bị phân tán.
• Dung dịch có tính ổn định cao.
• Chất tan trong dung dịch không thể được tách ra bằng phương pháp lọc hoặc cơ học.

Các dạng dung dịch

Đồng nhất có nghĩa là các phần tử trong hỗn hợp hòa quyện thành một pha duy nhất. Các đặc điểm của hỗn hợp như nồng độ, nhiệt độ và khối lượng riêng có thể phân phối đều trong toàn bộ thể tích, miễn là không xảy ra hiện tượng khuếch tán hoặc sau khi quá trình khuếch tán hoàn tất. Thông thường, chất chiếm nhiều nhất sẽ là dung môi, có thể là khí, lỏng hoặc rắn. Các thành phần khác ngoài dung môi trong dung dịch được gọi là chất tan. Dung dịch có trạng thái vật chất tương tự như dung môi.

Dung dịch khí

Khi dung môi là khí, chỉ những khí khác mới có thể hòa tan trong điều kiện nhất định. Ví dụ, không khí là sự kết hợp của oxy và các khí khác hòa tan trong nitơ. Vì sự tương tác giữa các phân tử gần như không có ảnh hưởng, nên khi pha loãng khí sẽ tạo ra những dung dịch không đáng kể. Chúng không được phân loại là dung dịch chính thức, nhưng vẫn được coi là hỗn hợp.

Dung dịch lỏng

Khi dung môi là chất lỏng, các chất khác dưới dạng khí, lỏng hoặc rắn có thể hòa tan vào đó. Ví dụ:

• Khí hòa tan trong chất lỏng:
  • Oxy hòa tan trong nước
  • Cacbon dioxide hòa tan trong nước – Đây là một ví dụ phức tạp hơn vì dung dịch này kèm theo một phản ứng hóa học (sự hình thành ion). Những bong bóng nhỏ trong dung dịch không phải là khí hòa tan mà là cacbon dioxide đang thoát ra khỏi dung dịch. Khí hòa tan thực tế không thể nhìn thấy vì nó hòa tan ở mức phân tử.
• Chất lỏng hòa tan trong chất lỏng:
  • Khi trộn hai hoặc nhiều hóa chất với nhau để tạo thành dung dịch đồng nhất.
  • Rượu là một ví dụ điển hình, bao gồm nước và ethanol.
• Chất rắn hòa tan trong chất lỏng:
  • Đường sucroza hòa tan trong nước.
  • Muối ăn (NaCl) hòa tan trong nước.

Ngược lại, một số hỗn hợp lỏng không đồng nhất như hệ keo, huyền phù, và nhũ tương không được coi là dung dịch.

Các chất lỏng trong cơ thể là ví dụ về dung dịch lỏng phức tạp. Chúng chủ yếu là các chất điện giải, tức các ion của chất tan (như Kali). Ngoài ra, chúng còn chứa các chất tan như đường và urê. Oxy và cacbon dioxide cũng là thành phần quan trọng trong máu, và sự thay đổi lớn trong nồng độ của chúng có thể là dấu hiệu của bệnh hoặc chấn thương.

Dung dịch rắn

Khi dung môi là chất rắn, các chất khí, lỏng hoặc rắn khác có thể hòa tan vào trong đó.

• Khí hòa tan trong chất rắn:
  • Khí hydro có khả năng hòa tan tốt trong kim loại, đặc biệt là paladi, điều này rất quan trọng trong nghiên cứu lưu trữ hydro.
• Chất lỏng hòa tan trong chất rắn:
  • Thủy ngân hòa tan trong vàng, tạo thành hợp kim gọi là hỗn hống.
  • Hexan hòa tan trong sáp parafin.
• Chất rắn hòa tan trong chất rắn:
  • Thép là một dung dịch của nguyên tử cacbon trong mạng lưới các nguyên tử sắt.
  • Các hợp kim như đồng điếu và nhiều loại hợp kim khác.
  • Polyme có chứa chất hóa dẻo.
  • Một số chất rắn khi cho vào dung dịch có thể gây cháy hoặc nổ nếu không tạo được diphotphopentaoxit.

Tính tan

Tính tan là khả năng của một chất để hòa tan trong một chất khác. Khi một chất lỏng có thể hòa tan hoàn toàn vào chất lỏng khác, chúng có thể trộn lẫn với nhau để tạo thành dung dịch. Các chất lỏng không thể trộn lẫn với nhau thì được gọi là không hòa tan vào nhau.

Mọi dung dịch đều có sự thay đổi entropy khi trộn lẫn. Sự tương tác giữa các phân tử hoặc ion có thể thuận lợi về mặt năng lượng hoặc không. Nếu sự tương tác không thuận lợi, năng lượng tự do sẽ giảm khi nồng độ chất tan tăng. Khi phần năng lượng mất đi vượt quá sự tăng entropy, dung dịch sẽ trở nên bão hòa và không thể hòa tan thêm chất tan. Thời điểm dung dịch trở thành bão hòa có thể thay đổi tùy theo các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất và ô nhiễm. Một dung dịch siêu bão hòa có thể được tạo ra bằng cách tăng khả năng hòa tan (như tăng nhiệt độ) để hòa tan nhiều chất tan hơn, sau đó làm giảm điều kiện (như làm lạnh). Thông thường, khi nhiệt độ tăng, các chất rắn dễ tan hơn, nhưng với một số khí và hợp chất, tính tan lại giảm khi nhiệt độ tăng do entanpi tỏa nhiệt của dung dịch. Các chất hoạt động bề mặt có tính chất này. Tính tan của chất lỏng trong chất lỏng thường ít thay đổi với nhiệt độ hơn so với chất rắn hoặc khí.

Tính chất

Điểm chảy và điểm sôi của các chất có thể thay đổi khi thêm các hợp chất khác, và những thay đổi này được gọi là tính chất tập hợp. Để đo lường lượng chất hòa tan trong dung dịch, ta sử dụng các phương pháp như gam phân tử, phần thể tích và phần mol, được gọi chung là nồng độ. Các tính chất của dung dịch lý tưởng có thể được tính toán bằng cách kết hợp tuyến tính các tính chất của các thành phần cấu thành nó.

Khi lượng chất tan và dung môi bằng nhau (như trong dung dịch 50% ethanol và 50% nước), khái niệm về 'chất tan' và 'dung môi' trở nên ít quan trọng, nhưng chất thường dùng như dung môi vẫn được coi là dung môi (trong ví dụ này là nước).

Chất lỏng

Về lý thuyết, mọi loại chất lỏng đều có thể đóng vai trò là dung môi: khí hiếm dạng lỏng, kim loại nóng chảy, muối nóng chảy, các mạng lưới liên kết cộng hóa trị nóng chảy, và các chất lỏng phân tử. Trong thực tế hóa học và sinh hóa học, phần lớn dung môi là các chất lỏng phân tử, có thể được phân loại thành phân cực và không phân cực tùy thuộc vào moment lưỡng cực của chúng. Một cách phân loại khác là xem liệu các phân tử có thể tạo liên kết hydro hay không. Nước là dung môi phổ biến nhất, thuộc loại phân cực và duy trì liên kết hydro.

Các muối khi hòa tan trong dung môi phân cực sẽ phân ly thành các ion dương và âm, được hấp dẫn bởi các cực âm và dương của phân tử dung môi tương ứng. Khi dung môi là nước, quá trình hydrat hóa xảy ra, trong đó các ion chất tan được bao quanh bởi các phân tử nước. Ví dụ điển hình là dung dịch nước muối. Những dung dịch này được gọi là dung dịch điện giải.

Đối với các chất tan không ion, quy tắc chung là các chất tương tự nhau mới có thể hòa tan vào nhau. Các chất tan phân cực hòa tan trong dung môi phân cực, hình thành liên kết phân cực hoặc liên kết hydro. Ví dụ, các thức uống có cồn là dung dịch nước của ethanol. Ngược lại, các chất tan không phân cực hòa tan tốt hơn trong dung môi không phân cực. Chẳng hạn, các hydrocarbon như dầu và mỡ hòa trộn với nhau nhưng không hòa tan trong nước.

Một ví dụ điển hình về sự không hòa tan giữa dầu và nước là những vết dầu loang trên mặt nước.

• IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (Từ điển thuật ngữ hóa học), phiên bản thứ 2 ('Sách Vàng') (1997). Phiên bản chỉnh sửa trực tuyến: (2006–) 'solution'. doi:10.1351/goldbook.S05746

Liên kết ngoài