AP Chemistry

dung dịch nước

aqueous solution

Dung dịch nước là hỗn hợp đồng nhất trong đó nước đóng vai trò làm dung môi hòa tan các chất tan.

Dung dịch nước (aqueous solution) là một hệ đồng nhất trong đó $\text{H}_2\text{O}$ đóng vai trò là dung môi, bao quanh và hòa tan các chất tan khác. Phân tử nước có tính phân cực mạnh, nhờ đó nhiều hợp chất ion dễ dàng bị tách ra thành các hạt riêng lẻ khi tiếp xúc với môi trường này. Quá trình hòa tan diễn ra khi lực hút giữa các phân tử nước và chất tan thắng được lực liên kết nội tại của mạng tinh thể.

Vì nước là dung môi phổ biến nhất trong hóa học, trạng thái của các chất khi hòa tan trong nước được ký hiệu là (aq) bên cạnh công thức hóa học. Ký hiệu này giúp phân biệt rõ ràng giữa một chất rắn kết tủa (precipitate) và các ion đang di chuyển tự do trong môi trường lỏng. Do đó, khi viết phương trình hóa học, việc chú thích trạng thái (aq) là bước bắt buộc để thiết lập phương trình ion rút gọn (net ionic equation). Nhờ đó, người học có thể loại bỏ những ion không tham gia và chỉ tập trung vào bản chất thực sự của quá trình biến đổi.

Tuy nhiên, không phải mọi chất đều tan tốt trong môi trường này. Các hợp chất không phân cực như dầu mỡ hầu như không tan trong nước do không thể tạo ra tương tác lưỡng cực đủ mạnh. Ngược lại, những chất điện ly mạnh khi tan hoàn toàn sẽ phân ly thành ion, làm cho dung dịch dẫn điện được và dễ dàng tham gia vào các phản ứng trao đổi.

Ký hiệu(aq)

Trực giác: Hãy tưởng tượng nước như một người chủ nhà nhiệt thành, luôn bao quanh và kéo các vị khách tan ra để hòa nhập vào bữa tiệc.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Arrhenius

Khái niệm dung dịch nước hình thành trong hóa học khi nước được nhận ra là dung môi phổ biến nhất, và tên gọi bắt nguồn từ tiếng Latinh "aqua" nghĩa là nước; ký hiệu (aq) viết kèm công thức chất là dấu hiệu quy ước của khái niệm này.

Nước có mặt ở khắp nơi và hòa tan được rất nhiều chất, nên trong phòng thí nghiệm nó trở thành dung môi (solvent) mặc định cho hầu hết phản ứng. Chính vì vậy, hóa học cần một cách viết ngắn gọn để phân biệt chất đang tan trong nước với chất ở dạng rắn, lỏng hay khí, và ký hiệu (aq) ra đời để làm việc đó: muối ăn tan trong nước được viết thành $\mathrm{Na^+}(aq) + \mathrm{Cl^-}(aq)$ . Thói quen này ăn sâu tới mức khi nói "dung dịch" mà không nêu dung môi, người ta ngầm hiểu đó là dung dịch nước. Từ nền tảng ấy, các định nghĩa acid–base theo Arrhenius cũng được phát biểu ngay trong môi trường nước.

Hay hiểu sai

Chất tan trong dung dịch nước phải vẽ thành các ion rời nhau, không phải phân tử nguyên vẹn.

Sau phản ứng kết tủa, các ion khán giả vẫn còn nguyên trong dung dịch.

Một hình tĩnh duy nhất không chứng minh được hệ đang ở trạng thái cân bằng.

Nước không được vẽ trong hình không có nghĩa là không có nước.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cho

\text{AgCl}(s) \rightleftarrows \text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq)

. Một học sinh cho 1,00 g

\text{AgCl}(s)

vào 1,00 L nước cất ở 25 °C, khuấy đều rồi để yên đến khi hệ không đổi nữa; vẫn còn chất rắn trắng lắng ở đáy bình. Bạn đó vẽ một sơ đồ hạt để mô tả phần dung dịch phía trên, trong đó có nhiều đơn vị "AgCl" trung hòa trôi lơ lửng giữa các phân tử nước. Biết

K_{sp}(\text{AgCl}) = 1,8 \times 10^{-10}

và

M(\text{AgCl}) = 143,32

g·mol⁻¹.

aSơ đồ hạt mà học sinh đề xuất có mô tả đúng dung dịch nước của $\text{AgCl}$ hay không? Giải thích dựa trên bản chất của chất tan trong nước.
bTính nồng độ mol của $\text{Ag}^{+}$ trong dung dịch thu được và phần trăm khối lượng $\text{AgCl}$ đã tan, rồi cho biết kết quả này ràng buộc gì lên số hạt phải vẽ trong sơ đồ.

1Bước 1: Trước hết phải đọc kỹ phương trình đề cho. Vế phải chỉ có hai tiểu phân là

\text{Ag}^{+}(aq)

và

\text{Cl}^{-}(aq)

, mỗi ion mang ký hiệu

(aq)

nghĩa là nó tồn tại riêng lẻ, được bao quanh bởi các phân tử nước. Bạc clorua tan ít, nhưng phần nào đã tan thì tan hoàn toàn thành ion — nó là một chất điện li mạnh (strong electrolyte). Do đó trong dung dịch không hề có "phân tử AgCl" trôi nổi; những đơn vị

\text{AgCl}

chưa tan vẫn nằm nguyên trong mạng tinh thể ở đáy bình, tức là pha rắn chứ không phải chất tan.

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 “Dung dịch và hỗn hợp” — khoá AP Chemistry

Cần trướcdung dịch

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

trạng thái dung dịch nước (aqueous)aqueous

Khác nhau ở đâuDung dịch nước là hỗn hợp đồng nhất của chất tan trong nước. Trạng thái dung dịch nước chỉ là kí hiệu (aq) cho biết chất đang tồn tại trong nước.

Hay nhầm khiĐề viết 'NaCl(aq)' và hỏi đây là dung dịch nước hay chỉ là kí hiệu trạng thái.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 72, 141.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tính từ "aqueous" đi ra từ tiếng Latinh "aquosus", nghĩa là "có nước", "thuộc về nước", mà gốc sâu hơn nữa là "aqua" — nước. Vì vậy cái tên không mô tả chất tan mà mô tả môi trường chứa nó: bất kể chất tan là muối, acid hay đường, hễ nước đóng vai dung môi thì dung dịch mang tên này. Cùng một gốc "aqua" còn sinh ra hàng loạt từ quen thuộc như aquarium, aqueduct hay aquatic, nên khi gặp "aqueous" trong đề thi, học viên có thể lần theo gốc từ mà đoán đúng nghĩa. Ký hiệu viết tắt (aq) đặt sau công thức chính là phần rút gọn của từ này, và nó gánh một lượng thông tin đáng kể. Khi viết $\mathrm{NaCl}(aq)$ thay vì $\mathrm{NaCl}(s)$ , ta ngụ ý chất đã phân li thành các ion tự do di chuyển giữa các phân tử nước, chứ không còn là mạng tinh thể. Do đó việc quên hoặc ghi sai trạng thái trong phương trình không chỉ là lỗi hình thức mà làm sai luôn bản chất phản ứng. Tên gọi ấy cũng giải thích vì sao nhiều định luật quen thuộc chỉ phát biểu được trong nước. Chất kỵ nước (hydrophobic) hầu như không tan, còn chất ưa nước (hydrophilic) như muối ăn thì tan tốt; và trong mọi dung dịch nước ở $298\ \mathrm{K}$ luôn có $[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] = K_w = 1\times 10^{-14}$ . Công thức này nói rằng tích nồng độ ion hydrogen và ion hydroxide là một hằng số, nên biết một đại lượng là suy được đại lượng kia. Vì hằng số ấy gắn với chính nước, các định nghĩa acid và base theo Arrhenius mới buộc phải nêu rõ "trong dung dịch nước" ngay trong câu định nghĩa.

2Ví dụ 2/2

Trộn 25,0 mL dung dịch

\text{AgNO}_3

0,100 M với 25,0 mL dung dịch

\text{NaCl}

0,0800 M. Phản ứng kết tủa xảy ra hoàn toàn, thu được kết tủa trắng

\text{AgCl}(s)

; giả thiết thể tích cộng được và bỏ qua lượng

\text{AgCl}

tan lại.

aViết phương trình ion đầy đủ và phương trình rút gọn, chỉ ra các ion không tham gia phản ứng.
bTính khối lượng kết tủa thu được và nồng độ mol của mọi ion còn lại trong dung dịch sau phản ứng.
cNếu vẽ sơ đồ hạt cho hỗn hợp sau phản ứng với quy ước một hạt ứng với $5,0 \times 10^{-4}$ mol, hãy cho biết phải vẽ bao nhiêu hạt mỗi loại.

1Bước 1: Cả hai chất đầu đều là chất điện li mạnh nên trước khi trộn, bình thứ nhất chứa

\text{Ag}^{+}

và

\text{NO}_3^{-}

tách rời, bình thứ hai chứa

\text{Na}^{+}

và

\text{Cl}^{-}

tách rời. Khi đổ chung, cặp

\text{Ag}^{+}

với

\text{Cl}^{-}

tạo chất rắn ít tan, còn

\text{Na}^{+}

và

\text{NO}_3^{-}

vẫn ở nguyên trạng thái

(aq)

. Phương trình ion đầy đủ là

\text{Ag}^{+}(aq) + \text{NO}_3^{-}(aq) + \text{Na}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s) + \text{Na}^{+}(aq) + \text{NO}_3^{-}(aq)

2Bước 2: Lược bỏ hai ion xuất hiện y hệt ở cả hai vế, ta được phương trình ion thu gọn (net ionic equation):

\text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s)

. Hai ion bị lược bỏ là

\text{Na}^{+}

và

\text{NO}_3^{-}

, gọi là ion khán giả (spectator ions); chúng vẫn nằm trong dung dịch và vẫn phải được vẽ trong sơ đồ hạt, chỉ là không đổi bản chất.

3Bước 3: Tính số mol từng ion phản ứng:

n(\text{Ag}^{+}) = 0,0250 \times 0,100 = 2,50 \times 10^{-3}

mol và

n(\text{Cl}^{-}) = 0,0250 \times 0,0800 = 2,00 \times 10^{-3}

mol. Tỉ lệ phản ứng là 1:1, mà số mol

\text{Cl}^{-}

nhỏ hơn, nên

\text{Cl}^{-}

là chất giới hạn và

\text{Ag}^{+}

còn dư

2,50 \times 10^{-3} - 2,00 \times 10^{-3} = 5,0 \times 10^{-4}

mol.

4Bước 4: Kết tủa tạo thành bằng đúng số mol

\text{Cl}^{-}

đã dùng:

n(\text{AgCl}) = 2,00 \times 10^{-3}

mol, do đó

m = 2,00 \times 10^{-3} \times 143,32 = 0,287

5Bước 5: Thể tích sau khi trộn là

25,0 + 25,0 = 50,0

= 0,0500

L. Chia số mol còn lại cho thể tích này:

[\text{Ag}^{+}] = \dfrac{5,0 \times 10^{-4}}{0,0500} = 0,0100

[\text{Na}^{+}] = \dfrac{2,00 \times 10^{-3}}{0,0500} = 0,0400

[\text{NO}_3^{-}] = \dfrac{2,50 \times 10^{-3}}{0,0500} = 0,0500

M. Ion

\text{Cl}^{-}

coi như đã hết. Kiểm tra trung hòa điện: tổng điện tích dương

0,0100 + 0,0400 = 0,0500

đúng bằng

[\text{NO}_3^{-}]

, nên kết quả nhất quán.

6Bước 6: Với quy ước một hạt ứng với

5,0 \times 10^{-4}

mol, chia từng số mol cho giá trị này:

\text{Ag}^{+}

dư cho

5,0 \times 10^{-4} / 5,0 \times 10^{-4} = 1

hạt,

\text{Na}^{+}

cho

2,00 \times 10^{-3} / 5,0 \times 10^{-4} = 4

hạt,

\text{NO}_3^{-}

cho

2,50 \times 10^{-3} / 5,0 \times 10^{-4} = 5

hạt và

\text{AgCl}

cho 4 đơn vị. Bốn đơn vị

\text{AgCl}

này phải được vẽ dính thành một khối rắn ở đáy, không vẽ rời rạc như ion; các ion

\text{Na}^{+}

\text{NO}_3^{-}

và

\text{Ag}^{+}

thì phân tán độc lập trong nước.

Phản ứng thực chất chỉ là $\text{Ag}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s)$ , còn $\text{Na}^{+}$ và $\text{NO}_3^{-}$ chỉ đứng ngoài. Do $\text{Cl}^{-}$ hết trước, thu được 0,287 g $\text{AgCl}$ và dung dịch sau phản ứng chứa $[\text{Ag}^{+}] = 0,0100$ M, $[\text{Na}^{+}] = 0,0400$ M, $[\text{NO}_3^{-}] = 0,0500$ M. Sơ đồ hạt đúng phải gồm một khối rắn 4 đơn vị $\text{AgCl}$ cùng 1 hạt $\text{Ag}^{+}$ , 4 hạt $\text{Na}^{+}$ và 5 hạt $\text{NO}_3^{-}$ nằm rời trong dung dịch, không còn hạt $\text{Cl}^{-}$ tự do nào.