1. Tính chất của nước

1.1. Tính chất vật lý của nước

Ở nhiệt độ từ 0°C đến 100°C, nước là một chất lỏng trong suốt, không màu và không mùi vị. Lớp nước dày có ánh lấp lánh màu xanh nhạt như nước đá. Trong thiên nhiên, nước bị nhiễm bẩn với nhiều chất khác nhau tùy theo nguồn gốc của nó. Ví dụ: nước mưa chứa bụi và những khí hòa tan, nước ngầm còn chưa thêm những loại muối hòa tan (hydrogen carbonate, sulfate, chloride).

1.2. Cấu tạo và tính lưỡng cực

Với tên hóa học hydrogen oxide H₂O, nước có các phân tử là những hạt nhỏ nhất (hình 2.1)

Hình 2.1 Cấu trúc của phân tử nước

Mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hydrogen liên kết với một nguyên tử oxygen. Nguyên tử oxygen chứa hai cặp electron và hai electron riêng lẻ ở lớp ngoài cùng, tổng cộng sáu electron. Một oxygen liên kết với hai hydrogen bằng cách góp chung mỗi bên một electron riêng lẻ với một electron của nguyên tử hydrogen thành hai cặp electron chung, mỗi cặp gần với một nguyên tử hydrogen. Như vậy, cả nguyên tử oxygen và nguyên tử hydrogen đều có được vỏ nguyên tử như của khí hiếm. Điện tích hạt nhân của nguyên tử oxygen mạnh hơn, hút hai cặp electron chung về phía mình. Sự chuyển dịch điện tích này biến phân tử nước thành một lưỡng cực điện. Phân tử nước có dạng góc mang một phần điện tích âm ở phía nguyên tử oxygen ( ) và một phần điện tích dương phía nguyên tử hydrogen ( ). Hai nguyên tử hydrogen mang điện tích dương đẩy lẫn nhau, tạo thành góc liên kết 105,05°.

Phân tử nước có dạng góc là một lưỡng cực điện.

Do tính lưỡng cực, nước có thể hòa tan các phân tử phân cực và nhiều tinh thể ion. Nước có thể phân ly muối, base và acid bằng điện phân thành những ion di động hoặc kết hợp với một số loại ion thành phức chất. Các phân tử nước hút lẫn nhau nhờ lực lưỡng cực. Ngoài ra, liên kết hydro hình thành giữa một nguyên tử hydrogen của một phân tử nước và một nguyên tử oxygen của phân tử nước kế cận.

Lực hút giữa các phân tử nước là lý do nước có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn so với những hợp chất tương tự, ví dụ như HCl (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Các tính chất của nước

Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy và nhiệt bốc hơi của nước cũng cao hơn nhiều so với những hợp chất hóa học tương tự (bảng 2.1). Do đó, các đại dương là nơi trữ nhiệt tốt nhất, chúng điều hòa khí hậu. Các cực giữa các phân tử cũng là nguyên nhân tạo ra sức căng bề mặt của nước.

1.3. Sự biến đổi tính chất theo nhiệt độ

Sự dị thường của tỷ trọng khi làm nóng nước đá từ -20°C, nó sẽ dãn nở ra như những chất khác (hình 2.2)

Hình 2.2 Sự dị thường của tỷ trọng nước

Khi nước đá tan chảy, thể tích của nó giảm khoảng 8,3% ở 0°C. Nếu tiếp tục đun nóng đến +4°C, thể tích lại giảm tiếp 0,013%, và sau đó tăng trở lại theo nhiệt độ tăng, còn tỷ trọng thì diễn biến ngược lại.

Nước có tỷ trọng cao nhất +4°C (1kg/L)

Tế bào tinh thể (ô đơn vị) của nước đá là một khối bốn mặt có phân tử nước ở trung tâm và ở mỗi góc. Các lưỡng cực phân tử nước được bố trí sao cho mỗi nguyên tử hydrogen hướng vào nguyên tử oxygen của phân tử nước kế cận (hình 2.3).

Hình 2.3 Liên kết hydro giữa các phân tử nước trong tinh thể nước đá

Qua đó, những liên kết hydro hình thành và tạo ra sự cố kết của nước đá bằng lực hút của các lưỡng cực. Cách bố trí này lặp lại trong toàn khối tinh thể nước đá. Vì vậy nước đá có cấu trúc mạng tinh thể rộng lớn. Khi nước đá tan chảy, các phân tử nước sắp xếp sát nhau hơn. Ở 0°C, trong nước vẫn tồn tại những cấu trúc tinh thể với tám phân tử nước. Khi nước tiếp tục được đun nóng, các cấu trúc này sẽ tan rã hoàn toàn, và hệ quả là tỷ trọng sẽ tăng theo nhiệt độ cho đến +4°C. Quá mức nhiệt độ này, các phân tử sẽ chiếm nhiều chỗ hơn do sự chuyển động nhiệt mạnh hơn.

Tính khác thường của nước là do cấu trúc lỏng lẻo của tinh thể nước đá; chỉ khi tan chảy các phân tử nước mới dần dần dịch chuyển tới sát nhau hơn.

Lúc đông đặc vào mùa đông, nước dãn nở thêm khoảng 9%, có thể phá vỡ các ghềnh đá, sau khi nước xâm nhập vào những khe hở và đường nứt. Do sự phong hóa, đá dần dần biến thành đất (sự xói mòn). Ở +4°C, nước có tỷ trọng lớn nhất. Vì thế khi đóng băng, nước dưới đáy hồ vẫn chỉ giảm đến +4°C. Vì thế, ở vùng nước sâu, nước không đông đặc đến tận đáy nên các sinh vật vẫn có thể sống sót nơi đó. 

2. Dung môi nước

2.1. Sự hoàn tan của các chất hòa tan trong nước

Nước có thể hòa tan chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí, ví dụ các tinh thể phân tử như đường, các tinh thể ion như muối ăn, rượu hay khí carbon dioxide CO₂. Trong nhiều trường hợp, chất được hòa tan có phản ứng hóa học với dung môi.

Ví dụ: kim loại thường (không quý) “hòa tan” trong một acid.

Ngoài những phản ứng hóa học này, cơ chế hòa tan các phân tử hay ion trong nước đều giống nhau về nguyên tắc. Các phân tử có những nhóm phân cực có thể kết nối với những phân tử nước, hoặc các ion được bao bọc bởi những phân tử lưỡng cực của nước. Sự hydrat hóa (hydration) này làm tăng độ lớn của phân tử hay ion. Chuyển động nhiệt của các phân tử nước khiến chúng phân tán ra khắp chất lỏng.

Như vậy, quá trình hòa tan bao gồm giai đoạn solvat hóa (solvation), trong đó các hạt của chất hòa tan kết nối và sắp xếp lại với những phân tử lưỡng cực của nước, và giai đoạn phân tán, là giai đoạn phân chia các hạt hòa tan trong khắp chất lỏng.

Quá trình hydrat hóa là sự bao bọc những phân tử phân cực hay những ion với một lớp phân tử lưỡng cực của nước.

Trong quá trình hòa tan một tinh thể ion như NaCl, những lưỡng cực phân tử nước kết nối vào bề mặt của tinh thể (hình 2.4). Nhờ lực hút tĩnh điện của các ion và lưỡng cực nước, năng lượng hydrat hóa được giải phóng. Lớp hydrat bao quanh các ion làm giảm sức hút lẫn nhau của chúng đến mức ion hydrat hóa có thể chuyển động tự do trong dung dịch. Ion càng nhỏ và điện tích càng lớn thì chúng càng giữ chặt lớp hydrat và năng lượng hydrat hóa càng lớn.

Hình 2.4 Sự hòa tan của tinh thể ion trong nước

Khi tinh thể ion hòa tan vào nước, các ion được bao bọc bởi một lớp nước (lớp hydrat), và các lưỡng cực nước định hướng tủy theo loại điện tích của ion.

Để hòa tan, năng lượng hydrat hóa của ion phải lớn hơn năng lượng liên kết mạng của tinh thể ion. Ví dụ: tổng năng lượng hydrat hóa của các ion Na⁺ và Cl^- là 775 kJ/mol so với năng lượng liên kết mạng của tinh thể NaCl là 767 kJ/mol (nên nước hòa tan được NaCl). Tổng năng lượng hydrat hóa của Ag⁺ và Cl^- là 844 kJ/mol nhưng năng lượng liên kết mạng của tinh thể AgCl là 874 kJ/mol nên nước không thể hòa tan AgCl được.

Sự hòa tan là một quá trình phát nhiệt, khi năng lượng solvat hóa (tổng số các năng lượng hydrat hóa của các ion mạng điện tích khác nhau) lớn hơn năng lượng mạng tinh thể.

Ngược lại, sự hòa tan của ammonium nitrate là một quá trình thu nhiệt, trong đó năng lượng solvat hóa nhỏ hơn năng lượng mạng tinh thể một ít. Dù vậy, chất này vẫn hòa tan được trong nước. Năng lượng chênh lệch giữa năng lượng mạng tinh thể và năng lượng solvat hóa được rút ra từ môi trường xung quanh (vì thế, ammonium nitrate và nước là một hỗn hợp làm lạnh). Động lực cho quá trình hòa tan thu nhiệt là độ mất trật tự (entropy) lớn hơn của các hạt hòa tan trong dung dịch so với độ trật tự cao khi còn trong tinh thể ion.

Trong thiên nhiên, mỗi quá trình tự động diễn ra đều hướng tới một độ mất trật tự lớn hơn trước.

2.2. Giản đồ pha

Trong một bình đóng kín, các phân tử khí trên một chất lỏng tác động lên thành bình với một sức ép, được gọi là áp suất hơi. Áp suất này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào độ lớn của bề mặt chất lỏng. Khi phần không gian bên trên mặt nước đạt đến áp suất hơi bão hòa, tuy có nhiều phân tử dịch chuyển từ pha lỏng sang pha khí do bề mặt lớn hơn, nhưng từ pha khí lại cũng có bấy nhiêu phân tử được hấp thu bởi lực hút của chất lỏng. Khi ấy hai pha đạt đến trạng thái cân bằng. Pha có nghĩa là trạng thái đồng nhất của một vật thể rắn, lỏng, khí.

Áp suất hơi xuất hiện khi có những phân tử từ pha lỏng chuyển sang pha khí.

Cơ chế tương tự trong trường hợp chất lỏng cũng tạo nên một áp suất hơi ở chất rắn (áp suất thăng hoa). Do chuyển động nhiệt, những hạt thoát ra từ một chất rắn sẽ chuyển đổi trực tiếp vào pha khí (thăng hoa). Áp suất hơi của vật thể rắn nhỏ hơn áp suất hơi của chất lỏng.

Áp suất hơi của chất rắn hay của chất lỏng phụ thuộc vào loại chất và nhiệt độ.

Từ đồ thị áp suất hơi (hình 2.5), ta có thể nhận thấy áp suất thay đổi theo nhiệt độ như thế nào. Khi một chất không bay hơi hòa tan trong nước, áp suất hơi của dung dịch giảm so với áp suất hơi của dung môi ở mọi nhiệt độ. Nguyên nhân là sự hydrat hóa và lực hút lẫn nhau giữa các hạt của chất hòa tan và các phân tử của dung môi cũng tác động lên bề mặt của chất lỏng. Các lực ấy cản trở các phân tử của dung dịch thoát lên pha khí và dẫn đến sự giảm nhiệt độ đông đặc và sự tăng nhiệt độ sôi của dung dịch (hình 2.5)

Hình 2.5 Đồ thị áp suất hơi của một chất lỏng

Sự giảm nhiệt độ đông đặc của một hỗn hợp muối và nước được áp dụng khi rải muối trên mặt đường vào mùa đông để phòng tránh đóng băng, gây trơn trượt. Mức chuyển dời các điểm cố định (“giảm nhiệt độ đông đặc” hoặc “ tăng nhiệt độ sôi”) tỷ lệ thuận với số lượng hạt hòa tan trong một đơn vị thể tích (ví dụ một lít) của dung dịch. Kết hợp với sự chuyển từ thể rắn sang thể hơi và từ thể rắn sang thể lỏng, đồ thị áp suất hơi của một chất lỏng có thể được mở rộng thành một biểu đồ trạng thái (hình 2.6). Trong sự chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, nước cho thấy một đặc điểm có nguyên nhân là tính lưỡng cực của nó. Áp suất tăng làm cho nhiệt độ nóng chảy hạ xuống. Áp suất buộc kết cấu lỏng lẻo của nước đá phải chuyển sang kết cấu chặt hơn của nước. Vì thế, ở cùng một nhiệt độ, nước chiếm thể tích nhỏ hơn so với nước đá.

Hình 2.6 Biểu đồ trạng thái của nước (không theo tỷ lệ)

Tại điểm ba trạng thái (điểm ba) của nước, cả pha pha (rắn, lỏng, khí) đều tồn tại bên nhau. Điểm ba của nước ở nhiệt độ 273,16K (+0,0099°C) và áp suất 610,6 Pa. Giản đồ áp suất hơi nước chấm dứt tại điểm tới hạn (647K  +347°C và 21,5 Mpa đối với nước).

Lực hút giữa các ion và các phân tử lưỡng cực của nước giải thích được xu hướng đạt đến sự pha loãng của dung dịch; điều này tạo ra hiệu ứng sinh học quan trọng là áp suất thẩm thấu (hình 2.7). Phân tử nước có thể xuyên qua màng bán thấm, ví dụ màng sinh học, những những phân tử lớn hoặc các ion hydrat hóa thì không xuyên qua được. Áp suất thẩm thấu bên trong một cây có thể đạt đến nhiều bar (1 bar = 10⁵ Pa) và đủ mạnh để đưa nước từ dưới đất lên đến những nhành cao nhất của cây.

Hình 2.7 Đo áp suất thẩm thấu

3. Nồng độ dung dịch

3.1. Khái niệm nồng độ

Nồng độ của dung dịch cho biết lượng chất hòa tan trong dung dịch là bao nhiêu. Thành phần cấu tạo của dung dịch được diễn tả bằng một hoặc hai trong số các đại lượng vật lý sau: khối lượng m, lượng chất hay số mol n, thể tích V và số hạt N.

3.2. Mol, khối lượng mol

Cũng như khối lượng, lượng chất là đại lượng cơ bản của hệ đo lường quốc tê (viết tắt SI, International System of Units: Hệ thống đo lường quốc tế). Đơn vị của lượng chất là mol (ký hiệu đơn vị: mol).

Một mol là lượng chất gồm một số hạt bằng số nguyên tử có trong 12 g chất đồng vị phóng xạ carbon ¹²C.

Khi sử dụng mol, các hạt phải được diễn tả chính xác là nguyên tử, ion, phân tử hay là nhóm nguyên tử. Một mol (1 mol) của một hợp chất hóa học, ví dụ sulfuric acid H₂SO₄, bằng tổng số gram có trong khối lượng phân tử tương đối 1 mol H₂SO₄: (2.1,00794) + 32,066 + (4.15,9994) = 98,08 g. Mỗi mol của những chất khác nhau đều chưa số hạt bằng nhau. Số hạt cơ bản tron một mol được gọi là hằng số Avogadro (theo Amedeo Avogadro, nhà vật lý và hóa học người Ý, 1776 – 1856). Hằng số này có trị số N_A = 6,0221367. 10²³/mol.

Số hạt N có thể được tính từ lượng chất n. Ví dụ các phân tử sulfuric acid phân ly khi hòa tan trong nước:

H₂SO₄ + 2H₂O  2H₃O⁺ + SO₄^2-

1 mol sulfuric acid (98,08g) phản ứng với 2 mol nước (36,03 g) cho ra 2 mol ion hydronium (38,05 g) và một mol ion sulfate (96,06 g).

Khối lượng mol M là khối lượng dựa trên lượng chất, tức là thương số giữa khối lượng và lượng chất.

Khối lượng mol của một nguyên tố hóa học hoặc của một hợp chất hóa học có trị số là khối lượng nguyên tử tương đối hoặc khối lượng phân tử tương đối và có đơn vị là g/mol.

3.3. Các đại lượng về thành phần dung dịch

Thành phần của dung dịch theo tiêu chuẩn Đức DIN 1310 có thể được diễn tả là thành phần i của chất hòa tan trong dung dịch. Khi 18 g sodium chloride NaCl hòa tan vào 82g nước (tổng cộng 100g dung dịch), thành phần khối lượng của nó là:

w_i = (18 g/100 g).100% = 18%

Thành phần cũng có thể diễn tả bằng thương số giữa các đơn vị đo lường, ví dụ:

w_i = 0,135 g/g = 135 mg/g = 13,5%

Hàm lượng của một dung dịch cũng có thể diễn tả bằng nồng độ molan (molality) b_i. Trong khi đó, nồng độ mol là số mol của chất hòa tan trong một lít dung dịch.