AP Chemistry

chất lỏng

liquid

Còn gọi: pha lỏng · trạng thái lỏng · liquid phase

Chất lỏng là trạng thái vật chất có thể tích xác định nhưng không có hình dạng riêng, các hạt nằm sát nhau và trượt được lên nhau nên chất lỏng chảy được.

Chất lỏng nằm giữa chất rắn và chất khí về mức độ trật tự. Các phân tử trong chất lỏng vẫn tiếp xúc gần nhau gần như trong chất rắn, nên tổng thể tích của khối chất gần như không đổi khi ta rót nó từ bình này sang bình khác. Tuy nhiên chúng không bị khóa vào những vị trí cố định: mỗi phân tử liên tục trượt qua các phân tử lân cận, và chính chuyển động trượt đó cho phép chất lỏng chảy và nhận lấy hình dạng của phần đáy bình chứa. Vì vậy một chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định.

Sự tồn tại của pha lỏng là kết quả của một cuộc giằng co giữa lực liên phân tử (intermolecular forces) và động năng chuyển động nhiệt. Khi động năng trung bình còn nhỏ hơn năng lượng cần thiết để bứt hẳn một phân tử ra khỏi các phân tử xung quanh, các hạt không thể tách rời nhau thành khí; nhưng khi động năng đã đủ lớn để phá vỡ trật tự mạng tinh thể, chúng cũng không thể xếp cố định như trong chất rắn. Do đó lực liên phân tử càng mạnh thì khoảng nhiệt độ tồn tại của pha lỏng càng rộng, và nhiệt hóa hơi càng lớn:

$\mathrm{H_2O}(l) \rightleftharpoons \mathrm{H_2O}(g), \quad \Delta H_{vap} > 0$

Dấu $(l)$ trong phương trình cho biết chất đang ở pha lỏng, còn $\Delta H_{vap}$ dương nghĩa là muốn chuyển sang pha hơi thì hệ phải hấp thụ nhiệt.

Những tính chất đặc trưng của chất lỏng đều truy ngược về cùng một nguyên nhân đó. Sức căng bề mặt (surface tension) xuất hiện vì các phân tử ở mặt thoáng bị kéo vào trong nhiều hơn là ra ngoài, độ nhớt (viscosity) phản ánh mức khó khăn khi các lớp phân tử trượt lên nhau, còn áp suất hơi (vapor pressure) cho biết bao nhiêu phân tử đủ nhanh để thoát khỏi bề mặt. Trong đề thi, một chất có lực liên phân tử mạnh sẽ đồng thời có sức căng bề mặt lớn, độ nhớt cao, áp suất hơi thấp và nhiệt độ sôi cao — bốn kết luận này luôn đi cùng nhau.

Ký hiệu

•(l) hoặc (ℓ) đặt sau công thức chất
•ví dụ H₂O(l)

Trực giác: Chất lỏng giống một đám đông chen chúc trong nhà ga: số người không đổi, ai cũng chạm vai người bên cạnh nên không nén lại được, họ trượt qua nhau để chảy thành dòng và ôm sát theo đường viền của sàn ga, nhưng chỉ dồn đứng ở phần dưới chứ không dàn mỏng lên tận trần sảnh.

Công thức

\htmlClass{fp-1}{\ln\htmlClass{fp-0}{\frac{P_2}{P_1}}} = \htmlClass{fp-2}{-\frac{\Delta H_{vap}}{R}}\htmlClass{fp-3}{\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right)}

Dùng khi đề cho áp suất hơi của một chất lỏng ở một nhiệt độ và hỏi áp suất hơi ở nhiệt độ khác, hoặc cho hai cặp số liệu và hỏi nhiệt hóa hơi. Cũng dùng để giải thích vì sao nhiệt độ sôi thay đổi theo áp suất ngoài.

Trong đó

P_1, P_2

áp suất hơi của chất lỏng ở nhiệt độ

T_1

và

T_2

— atm, torr hoặc kPa (miễn là cùng đơn vị)

\Delta H_{vap}

nhiệt hóa hơi (enthalpy of vaporization), năng lượng cần để đưa một mol chất từ lỏng sang hơi — J/mol

R

Hay hiểu sai

Liên kết hydrogen không phải một loại liên kết hóa học nối các nguyên tử.

Lực khuếch tán London có mặt ở mọi chất lỏng, kể cả chất phân cực.

Sự sôi không bẻ gãy liên kết cộng hóa trị bên trong phân tử.

Nhiệt độ sôi và áp suất hơi biến thiên ngược chiều nhau.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Hai chất lỏng nguyên chất có cùng công thức phân tử

\mathrm{C_2H_6O}

và cùng khối lượng mol

M = 46{,}07\ \mathrm{g/mol}

: ethanol (

\mathrm{CH_3CH_2OH}

) sôi ở

78\ ^\circ\mathrm{C}

, còn dimethyl ether (

\mathrm{CH_3OCH_3}

) sôi ở

-24\ ^\circ\mathrm{C}

. Cả hai đều là phân tử phân cực.

aNêu lực liên phân tử mạnh nhất tồn tại giữa các phân tử trong mỗi chất lỏng.
bGiải thích chênh lệch nhiệt độ sôi rất lớn giữa hai chất lỏng dựa trên cấu trúc phân tử.
cỞ $25\ ^\circ\mathrm{C}$ , chất lỏng nào có áp suất hơi lớn hơn? Vì sao?

1Bước 1: Vẽ hoặc hình dung cấu trúc trước khi kết luận. Trong ethanol, nguyên tử H được gắn trực tiếp vào O, nên phân tử này vừa có nguyên tử H rất thiếu electron vừa có cặp electron chưa liên kết trên O của phân tử bên cạnh. Trong dimethyl ether, O chỉ nối với hai nhóm

\mathrm{CH_3}

; các nguyên tử H đều gắn vào C, mà C–H thì hầu như không phân cực. Do đó chỉ ethanol thỏa điều kiện tạo liên kết hydrogen (hydrogen bonding).

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyLực liên phân tử · bài “Chất rắn, chất lỏng và chất khí” — khoá AP Chemistry

Cần trướcvật chấtlực hút giữa các phân tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất rắn (solid)solid

Khác nhau ở đâuChất rắn giữ nguyên hình dạng và thể tích vì phân tử cố định tại nút mạng. Chất lỏng có thể tích xác định nhưng mang hình dạng vật chứa vì phân tử trượt lên nhau.

Hay nhầm khiĐề cho nhiệt độ nóng chảy và hỏi trạng thái của chất ở một nhiệt độ cụ thể.

chất khí (gas)gas

Khác nhau ở đâuChất khí không có hình dạng lẫn thể tích xác định vì phân tử chuyển động tự do xa nhau. Chất lỏng có thể tích xác định, tạo bề mặt thoáng và hầu như không nén được.

Hay nhầm khiSo sánh tính nén được, mật độ và khả năng khuếch tán giữa hai trạng thái.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 16–17.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh đun

50{,}0\ \mathrm{g}

nước lỏng từ

25{,}0\ ^\circ\mathrm{C}

đến

100{,}0\ ^\circ\mathrm{C}

rồi làm bay hơi hoàn toàn lượng nước đó ở

100{,}0\ ^\circ\mathrm{C}

và

1\ \mathrm{atm}

. Cho nhiệt dung riêng của nước lỏng

c = 4{,}18\ \mathrm{J/(g\cdot ^\circ C)}

, enthalpy hóa hơi (enthalpy of vaporization)

\Delta H_{vap} = 40{,}7\ \mathrm{kJ/mol}

và

M = 18{,}02\ \mathrm{g/mol}

aTính tổng năng lượng cần cung cấp cho toàn bộ quá trình.
bGiải thích ở cấp độ vi mô vì sao giai đoạn hóa hơi tốn nhiều năng lượng hơn hẳn giai đoạn đun nóng.

1Bước 1: Tách quá trình thành hai giai đoạn vì mỗi giai đoạn dùng một công thức khác nhau: đun nước lỏng lên

100{,}0\ ^\circ\mathrm{C}

(nhiệt độ thay đổi, trạng thái không đổi), rồi hóa hơi ở nhiệt độ không đổi (trạng thái thay đổi). Đây là cách trình bày mà đề luôn yêu cầu, vì cộng gộp hai giai đoạn bằng một công thức duy nhất là sai bản chất.

2Bước 2: Giai đoạn đun nóng dùng

q_1 = mc\Delta T

, trong đó

m

là khối lượng,

c

là nhiệt dung riêng và

\Delta T

là độ tăng nhiệt độ. Thay số:

q_1 = (50{,}0)(4{,}18)(100{,}0 - 25{,}0) = 15\,675\ \mathrm{J} \approx 15{,}7\ \mathrm{kJ}

. Năng lượng này chỉ làm tăng động năng trung bình của các phân tử trong pha lỏng.

3Bước 3: Giai đoạn hóa hơi tính theo số mol, nên trước hết

n = m/M = 50{,}0/18{,}02 = 2{,}775\ \mathrm{mol}

. Sau đó

q_2 = n\,\Delta H_{vap} = (2{,}775)(40{,}7) = 112{,}9\ \mathrm{kJ}

. Con số này là năng lượng cần để tách các phân tử khỏi nhau ở nhiệt độ không đổi.

4Bước 4: Cộng hai giai đoạn để trả lời ý (a):

q_{total} = q_1 + q_2 = 15{,}7 + 112{,}9 = 128{,}6\ \mathrm{kJ}

. Kết quả cho thấy phần hóa hơi chiếm khoảng

88\%

tổng năng lượng.

5Bước 5: Trả lời ý (b) bằng lập luận vi mô. Khi đun từ

25\ ^\circ\mathrm{C}

lên

100\ ^\circ\mathrm{C}

, các phân tử chuyển động nhanh hơn nhưng vẫn nằm sát nhau và phần lớn liên kết hydrogen vẫn được duy trì. Ngược lại, để chuyển sang pha khí thì hầu như toàn bộ liên kết hydrogen giữa các phân tử phải bị phá vỡ và khoảng cách giữa chúng tăng lên rất nhiều. Vì phá vỡ lực hút tốn nhiều năng lượng hơn là chỉ tăng tốc độ chuyển động,

q_2

lớn hơn

q_1

nhiều lần.

Cần tổng cộng khoảng $1{,}29 \times 10^{2}\ \mathrm{kJ}$ để đưa $50{,}0\ \mathrm{g}$ nước lỏng từ $25{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$ thành hơi ở $100{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$ , trong đó $15{,}7\ \mathrm{kJ}$ dùng cho việc đun nóng và $112{,}9\ \mathrm{kJ}$ dùng cho việc hóa hơi. Chênh lệch lớn giữa hai giá trị chính là thước đo độ mạnh của lực hút giữ các phân tử lại với nhau trong pha lỏng.