AP Chemistry

dung dịch bão hòa

saturated solution

Còn gọi: saturated aqueous solution · dung dịch đã bão hòa

Dung dịch bão hòa là dung dịch chứa lượng chất tan tối đa có thể ở nhiệt độ xác định.

Dung dịch bão hòa (saturated solution) là trạng thái mà dung môi không thể hòa tan thêm bất kỳ lượng chất tan nào nữa ở một điều kiện nhiệt độ xác định. Khi đó, nồng độ chất tan đạt đến giá trị cực đại và được gọi là độ tan. Điều kiện này được xác định qua hệ thức $C = C_{\max}$ hoặc $Q = K_{sp}$ . Hệ thức thứ nhất cho biết nồng độ chất tan đã chạm ngưỡng giới hạn, còn hệ thức thứ hai khẳng định tích số nồng độ các ion bằng đúng hằng số cân bằng của chất đó. Tuy nhiên, trạng thái này không có nghĩa là mọi quá trình đã dừng lại, mà thực chất các quá trình đối lập đang diễn ra với tốc độ bằng nhau.

Ở cấp độ vi mô, các hạt chất tan liên tục rời khỏi bề mặt tinh thể để đi vào dung môi, đồng thời các hạt khác trong dung dịch lại va chạm và bám ngược trở lại bề mặt rắn. Quá trình chất rắn đi vào dung dịch được gọi là sự hòa tan (dissolution), còn quá trình ngược lại mang tên sự kết tinh (crystallization). Khi tốc độ của hai quá trình này bằng nhau, hệ đạt tới một cân bằng động (dynamic equilibrium). Nhờ đó, nồng độ chất tan trong dung dịch được giữ nguyên không đổi theo thời gian, dù các phân tử vẫn không ngừng di chuyển qua lại giữa pha rắn và pha lỏng.

Vì vậy, nếu ta cố tình thêm chất tan vào một dung dịch đã bão hòa và có dư chất rắn chưa tan ở đáy bình, lượng chất rắn đó sẽ không hề giảm đi mà giữ nguyên khối lượng. Ngược lại, khi ta thay đổi nhiệt độ của hệ, độ tan của chất rắn thường tăng lên hoặc giảm đi, phá vỡ trạng thái cân bằng cũ và thiết lập một điểm bão hòa mới. Hiểu rõ bản chất cân bằng này chính là nền tảng cốt lõi để giải thích các hiện tượng kết tủa (precipitation) trong dung dịch hoặc tính toán tích số tan ở các bài toán nâng cao.

Trực giác: Hãy tưởng tượng bạn đang khuấy đường vào cốc nước lạnh cho đến khi đường không thể tan thêm được nữa mà cứ nằm lại dưới đáy cốc.

Công thức

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

Dùng cho hợp chất ion ít tan $A_xB_y$ ; khi tích nồng độ các ion (mỗi nồng độ nâng lên lũy thừa hệ số) bằng $K_{sp}$ , dung dịch đang ở trạng thái bão hòa và cân bằng động với chất rắn chưa tan

Trong đó

K_{sp}

tích số tan, hằng số cân bằng của quá trình chất rắn ion tan trong nước — phụ thuộc vào phương trình điện li cụ thể

[A^{y+}]

nồng độ mol của ion dương tại cân bằng — M

[B^{x-}]

nồng độ mol của ion âm tại cân bằng — M

x, y

hệ số tỉ lượng của ion trong phương trình điện li

Hay hiểu sai

Thêm nước vào dung dịch bão hòa còn dư chất rắn không làm loãng nồng độ ion.

Bão hòa không đồng nghĩa với đậm đặc.

Chất rắn nguyên chất không được đưa vào biểu thức tích số tan (solubility product).

Độ tan mol không phải là giá trị $K_{sp}$ , và quan hệ giữa chúng phụ thuộc tỉ lệ hợp thức.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bạc bromide AgBr là muối bạc màu kem, có tích số tan (solubility product)

K_{sp} = 5.0 \times 10^{-13}

ở 298 K. Một học sinh cho một lượng dư AgBr rắn vào nước cất, khuấy đều cho tới khi hệ đạt cân bằng, rồi lấy 50,0 mL phần dung dịch trong ở phía trên (vẫn còn chất rắn chưa tan nằm dưới đáy).

aViết biểu thức tích số tan của AgBr.
bTính $[\text{Ag}^{+}]$ trong 50,0 mL dung dịch bão hòa AgBr ở 298 K.
cTính khối lượng AgBr đã tan trong 50,0 mL dung dịch đó.
dThêm 50,0 mL nước cất vào hệ ở trên (vẫn còn AgBr rắn dư) và khuấy tới khi cân bằng lại. Giá trị $[\text{Ag}^{+}]$ tăng, giảm hay không đổi? Giải thích.

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 “Độ tan” — khoá AP Chemistry

Cần trướcdung dịch

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

dung dịch quá bão hòa (supersaturated solution)supersaturated solution

Khác nhau ở đâuDung dịch bão hòa chứa đúng lượng chất tan tối đa tại cân bằng động giữa hòa tan và kết tinh. Dung dịch quá bão hòa chứa vượt lượng cân bằng, không bền và dễ kết tủa khi thêm tinh thể mầm.

Hay nhầm khiĐề cho thêm tinh thể mầm vào dung dịch rồi hỏi dung dịch ban đầu thuộc loại nào, hoặc hỏi dung dịch nào có nồng độ lớn hơn độ tan.

dung dịch chưa bão hòa (unsaturated solution)unsaturated solution

Khác nhau ở đâuDung dịch chưa bão hòa chứa ít chất tan hơn mức độ tan cho phép, nên vẫn hòa tan thêm được. Dung dịch bão hòa đã đạt giới hạn hòa tan ở nhiệt độ đó, không thể hòa tan thêm chất tan.

Hay nhầm khiĐề cho biết khối lượng chất tan và độ tan rồi hỏi dung dịch đã bão hòa chưa, hoặc yêu cầu tính lượng chất tan dư không tan.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 17, 615, 621.

1Bước 1: Trước hết phải viết được phương trình hòa tan, vì biểu thức

K_{sp}

luôn bám sát phương trình đó:

\mathrm{AgBr}(s) \rightleftharpoons \mathrm{Ag}^{+}(aq) + \mathrm{Br}^{-}(aq)

Chất rắn nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng, nên chỉ còn hai ion trong dung dịch:

K_{sp} = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Br}^{-}]

Câu này chỉ cho một điểm, nhưng viết sót chỉ số hay đưa AgBr rắn vào mẫu số là mất điểm ngay.

2Bước 2: Vì dung dịch bão hòa được tạo ra từ nước cất, mỗi mol AgBr tan ra cho đúng một mol

\mathrm{Ag}^{+}

và một mol

\mathrm{Br}^{-}

. Gọi

s

là độ tan mol (molar solubility) thì

[\mathrm{Ag}^{+}] = [\mathrm{Br}^{-}] = s

, do đó

K_{sp} = s^{2} = 5.0 \times 10^{-13}

s = \sqrt{5.0 \times 10^{-13}} = 7.1 \times 10^{-7}\ M

Vậy

[\mathrm{Ag}^{+}] = 7.1 \times 10^{-7}

M. Lưu ý thể tích 50,0 mL hoàn toàn không tham gia vào phép tính này, vì nồng độ của một dung dịch bão hòa là đại lượng không phụ thuộc lượng dung dịch.

3Bước 3: Đến câu (c) thì thể tích mới có ích, vì khối lượng thì phụ thuộc vào lượng dung dịch. Số mol AgBr đã tan bằng số mol

\mathrm{Ag}^{+}

trong 50,0 mL:

n = (7.1 \times 10^{-7})(0.0500) = 3.5 \times 10^{-8}\ \text{mol}

Với

M(\mathrm{AgBr}) = 107.87 + 79.90 = 187.8

g/mol, khối lượng tan là

m = (3.5 \times 10^{-8})(187.8) = 6.6 \times 10^{-6}\ \text{g}

Chỉ khoảng 6,6 microgam AgBr tan trong 50 mL nước — con số này giải thích vì sao AgBr được xem là muối gần như không tan.

4Bước 4: Câu (d) là câu bẫy quen thuộc. Khi pha loãng, nồng độ hai ion tức thời giảm còn một nửa, nên thương số phản ứng (reaction quotient)

Q = [\mathrm{Ag}^{+}][\mathrm{Br}^{-}]

tụt xuống dưới

K_{sp}

và dung dịch tạm thời chưa bão hòa. Tuy nhiên đáy bình vẫn còn AgBr rắn dư, nên chất rắn tiếp tục tan cho đến khi

Q

trở lại đúng bằng

K_{sp}

. Vì nhiệt độ không đổi nên

K_{sp}

không đổi, và dung dịch bão hòa mới lại có

[\mathrm{Ag}^{+}] = 7.1 \times 10^{-7}

2Ví dụ 2/2

Vẫn với AgBr (

K_{sp} = 5.0 \times 10^{-13}

ở 298 K), một học sinh trộn 50,0 mL dung dịch

\mathrm{AgNO}_{3}

2.0 \times 10^{-6}

M với 50,0 mL dung dịch NaBr

2.0 \times 10^{-6}

M. Giả sử thể tích cộng được và nhiệt độ giữ ở 298 K.

aChứng minh bằng tính toán rằng có kết tủa AgBr tạo thành.
bTính $[\text{Ag}^{+}]$ trong dung dịch sau khi hệ đạt cân bằng và cho biết dung dịch thu được có bão hòa hay không.

1Bước 1: Khi trộn, mỗi dung dịch bị pha loãng ra thể tích tổng 100,0 mL, nên nồng độ ban đầu của từng ion giảm một nửa:

[\mathrm{Ag}^{+}]_{0} = \frac{(2.0 \times 10^{-6})(0.0500)}{0.1000} = 1.0 \times 10^{-6}\ M

và tương tự

[\mathrm{Br}^{-}]_{0} = 1.0 \times 10^{-6}

M. Bước pha loãng này thường bị bỏ qua, và bỏ qua nó là sai ngay từ con số đầu tiên.

2Bước 2: So sánh

Q

với

K_{sp}

Q = (1.0 \times 10^{-6})(1.0 \times 10^{-6}) = 1.0 \times 10^{-12}

Vì

Q = 1.0 \times 10^{-12} > K_{sp} = 5.0 \times 10^{-13}

, dung dịch đang quá bão hòa, nên phản ứng dịch theo chiều tạo chất rắn và AgBr kết tủa. Đây chính là lập luận mà đề yêu cầu: chỉ nói "có kết tủa" mà không đặt

Q

cạnh

K_{sp}

thì không được điểm.

3Bước 3: Kết tủa tiếp diễn cho tới khi hệ đúng bão hòa, tức là khi

Q

hạ xuống bằng

K_{sp}

. Gọi

x

là nồng độ mỗi ion đã bị lấy đi; vì hai ion mất đi theo tỉ lệ 1 : 1 nên chúng vẫn bằng nhau ở cân bằng:

(1.0 \times 10^{-6} - x)^{2} = 5.0 \times 10^{-13}

1.0 \times 10^{-6} - x = 7.1 \times 10^{-7} \ \Rightarrow\ x = 2.9 \times 10^{-7}\ M

Vậy

[\mathrm{Ag}^{+}] = 7.1 \times 10^{-7}

M ở cân bằng, đúng bằng giá trị của dung dịch bão hòa AgBr trong nước cất — điều này hợp lý, vì lượng hai ion đưa vào bằng nhau nên không có ion nào dư.

4Bước 4: Nếu đề đổi dữ kiện thành "hòa tan AgBr trong dung dịch NaBr 0,10 M" thì cách làm khác hẳn, vì lúc đó

[\mathrm{Br}^{-}]

do NaBr áp đặt:

[\mathrm{Ag}^{+}] = \frac{K_{sp}}{[\mathrm{Br}^{-}]} = \frac{5.0 \times 10^{-13}}{0.10} = 5.0 \times 10^{-12}\ M

Giá trị này nhỏ hơn trong nước cất khoảng

10^{5}

lần. Đó là hiệu ứng ion chung (common-ion effect): ion

\mathrm{Br}^{-}

có sẵn đẩy cân bằng về phía chất rắn, làm dung dịch bão hòa ở nồng độ

\mathrm{Ag}^{+}

thấp hơn nhiều, trong khi bản thân

K_{sp}

vẫn giữ nguyên.

Sau khi trộn, $Q = 1.0 \times 10^{-12}$ lớn hơn $K_{sp} = 5.0 \times 10^{-13}$ nên AgBr kết tủa; quá trình dừng khi $[\mathrm{Ag}^{+}] = [\mathrm{Br}^{-}] = 7.1 \times 10^{-7}$ M, tức là dung dịch cuối cùng vừa đúng bão hòa và nằm cân bằng với lượng AgBr rắn vừa tách ra.