Máy Tính Nồng Độ Dung Dịch – Mol/Thể Tích, Mol/Khối Lượng & Nhiều Hơn Nữa

Máy tính nồng độ dung dịch là gì?

Máy tính nồng độ dung dịch xác định lượng chất tan được hòa tan trong dung dịch, biểu thị theo đơn vị được chọn. Chất tan là chất bị hòa tan, chẳng hạn như muối hoặc đường. Công cụ này chuyển đổi khối lượng chất tan, khối lượng phân tử của chất tan, thể tích dung dịch và khối lượng riêng của dung dịch thành năm đơn vị nồng độ phổ biến: nồng độ mol, nồng độ molan, phần trăm khối lượng, phần trăm thể tích và phần triệu (ppm). Phần trăm thể tích cần thêm một giá trị là khối lượng riêng của chính chất tan, nên máy tính sẽ yêu cầu giá trị này khi đơn vị đó được chọn.

Nồng độ mô tả mức độ đậm đặc của một hỗn hợp. Cùng một dung dịch có thể được mô tả theo nhiều cách, và mỗi đơn vị phù hợp với một mục đích khác nhau. Nhà hóa học pha trộn một phản ứng sử dụng nồng độ mol. Nhà hóa lý nghiên cứu điểm đóng băng sử dụng nồng độ molan. Phòng thí nghiệm môi trường kiểm tra nước sử dụng ppm.

Giải thích các đơn vị nồng độ

• Nồng độ mol (M) — số mol chất tan trong mỗi lít dung dịch. Thường dùng trong hóa học đại cương.
• Nồng độ molan (m) — số mol chất tan trong mỗi kilôgam dung môi. Không thay đổi theo nhiệt độ.
• Phần trăm khối lượng (% w/w) — khối lượng chất tan chia cho khối lượng dung dịch, nhân với 100.
• Phần trăm thể tích (% v/v) — thể tích chất tan chia cho thể tích dung dịch, nhân với 100. Dùng cho các hỗn hợp lỏng như đồ uống có cồn.
• Phần triệu (ppm) — khối lượng chất tan trên một triệu phần khối lượng dung dịch. Dùng cho các lượng rất nhỏ (lượng vết).

Mol là một số hạt cố định (khoảng 6,022 × 10²³), được dùng để đếm nguyên tử hoặc phân tử thông qua việc cân chúng.

Cách tính nồng độ mol

Nồng độ mol là số mol chất tan chia cho thể tích dung dịch tính bằng lít:

$M = \frac{\text{số mol chất tan}}{\text{thể tích dung dịch (L)}}$

Vì số mol bằng khối lượng chia cho khối lượng phân tử, công thức trở thành:

$M = \frac{\text{khối lượng chất tan (g)}}{\text{khối lượng phân tử (g/mol)} \times \text{thể tích dung dịch (L)}}$

Ví dụ. Hòa tan 5,85 g natri clorua (NaCl, khối lượng phân tử 58,44 g/mol) vào lượng nước vừa đủ để tạo thành 0,1 L dung dịch:

$M = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/L}$

Phải đo thể tích cuối cùng sau khi chất tan đã hòa tan hoàn toàn, không phải trước đó. Việc thêm chất rắn vào một thể tích nước cố định làm tổng thể tích tăng nhẹ.

Cách tính nồng độ molan

Nồng độ molan lấy số mol chất tan chia cho khối lượng dung môi, tính bằng kilôgam, thay vì thể tích dung dịch:

$m = \frac{\text{khối lượng chất tan (g)}}{\text{khối lượng phân tử (g/mol)} \times \text{khối lượng dung môi (kg)}}$

Ví dụ. Hòa tan 5,85 g NaCl trong chính xác 100 g (0,1 kg) nước:

$m = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/kg}$

Vì khối lượng không thay đổi theo nhiệt độ, nồng độ molan không đổi khi dung dịch được đun nóng hoặc làm lạnh. Nồng độ mol thì không như vậy, vì thể tích nở ra khi nóng lên. Đây là lý do nồng độ molan được dùng để nghiên cứu hiện tượng hạ điểm đóng băng và tăng điểm sôi.

Cách tính phần trăm khối lượng

Phần trăm khối lượng là khối lượng chất tan chia cho tổng khối lượng dung dịch, nhân với 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{khối lượng chất tan}}{\text{khối lượng dung dịch}} \times 100$

Ví dụ. Hòa tan 10 g đường trong 90 g nước, tạo tổng khối lượng dung dịch là 100 g:

$\%\text{ w/w} = \frac{10}{100} \times 100 = 10\%$

Hydrogen peroxide dùng trong gia đình thường được ghi nhãn là "3%", nghĩa là có 3 g hydrogen peroxide trong mỗi 100 g dung dịch.

Cách tính phần trăm thể tích

Phần trăm thể tích lấy thể tích chất tan chia cho tổng thể tích dung dịch:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{thể tích chất tan}}{\text{thể tích dung dịch}} \times 100$

Ví dụ. Trộn ethanol với nước để tạo 100 mL dung dịch, sử dụng 15 mL ethanol:

$\%\text{ v/v} = \frac{15}{100} \times 100 = 15\%$

Máy tính không được cung cấp trực tiếp thể tích của chất tan. Nó tính thể tích từ khối lượng chất tan và khối lượng riêng của chính chất tan, nên ở chế độ này máy tính yêu cầu khối lượng riêng đó:

$\text{thể tích chất tan (L)} = \frac{\text{khối lượng chất tan (g)}}{\text{khối lượng riêng của chất tan (g/mL)} \times 1000}$

Nhập 10 g ethanol có khối lượng riêng 0,789 g/mL cho kết quả 12,67 mL ethanol. Trong 1 L dung dịch, giá trị này tương đương 1,27% v/v. Khối lượng riêng của chất tan không giống khối lượng riêng của dung dịch; dùng khối lượng riêng của dung dịch ở đây sẽ cho kết quả sai đối với mọi chất tan đặc hơn hoặc nhẹ hơn hỗn hợp.

Đây là đơn vị dùng để biểu thị hàm lượng cồn trong đồ uống. Rượu vang thường có 12–14% v/v; rượu chưng cất có 40% v/v hoặc cao hơn. Khi trộn, các thể tích chất lỏng không phải lúc nào cũng cộng chính xác, vì vậy dung dịch chính xác được đo đến thể tích cuối cùng thay vì giả định thể tích bằng tổng các thành phần.

Cách tính phần triệu (ppm)

Phần triệu được dùng cho các dung dịch rất loãng. Giá trị này lấy khối lượng chất tan chia cho khối lượng dung dịch rồi nhân với một triệu:

$\text{ppm} = \frac{\text{khối lượng chất tan}}{\text{khối lượng dung dịch}} \times 1{,}000{,}000$

Ví dụ. Một mẫu nước có khối lượng 1.000 g chứa 0,002 g chì đã hòa tan:

$\text{ppm} = \frac{0.002}{1000} \times 1{,}000{,}000 = 2 \text{ ppm}$

Đối với các dung dịch nước loãng, 1 ppm gần bằng 1 miligam chất tan trong mỗi lít dung dịch.

Ví dụ tính toán: nước muối sinh lý

Nước muối sinh lý là dung dịch muối 0,9% được dùng trong y học vì có nồng độ muối tương đương huyết tương. Để kiểm tra một mẻ được pha từ 9 g NaCl hòa tan đến thể tích cuối cùng 1 L, với khối lượng riêng dung dịch là 1,005 g/mL:

Trước tiên, xác định tổng khối lượng dung dịch từ thể tích và khối lượng riêng:

$\text{khối lượng} = 1 \text{ L} \times 1.005 \text{ g/mL} \times 1000 = 1{,}005 \text{ g}$

• Phần trăm khối lượng: 9 ÷ 1.005 × 100 = 0,90%
• Nồng độ mol: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Nồng độ molan: khối lượng dung môi là 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Phần triệu: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm
• Phần trăm thể tích: muối rắn có khối lượng riêng 2,165 g/mL, nên 9 g chiếm thể tích 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

Giá trị ppm không chính xác bằng 9.000 vì khối lượng dung dịch là 1.005 g, không phải 1.000 g. Phần dư 5 g là do khối lượng riêng của dung dịch hơi cao hơn nước tinh khiết.

Các đơn vị nồng độ khác

Một số lĩnh vực sử dụng các đơn vị ngoài năm đơn vị trên. Nồng độ đương lượng (N) đếm các đương lượng phản ứng thay vì số mol; dung dịch axit sulfuric (H₂SO₄) có nồng độ 1 M tương đương 2 N, vì mỗi phân tử có thể cho hai ion hydro. Phân số mol lấy số mol của một thành phần chia cho tổng số mol của mọi chất trong hỗn hợp và được dùng trong các phép tính chưng cất. Đối với các dung dịch cực kỳ loãng, nhà hóa học chuyển từ ppm sang phần tỷ (ppb) hoặc phần nghìn tỷ (ppt).

Các nguồn sai số thường gặp

Nồng độ tính toán có thể khác nồng độ thực tế vì nhiều lý do. Việc hòa tan chất rắn làm thay đổi tổng thể tích dung dịch, nên phải đo thể tích cuối cùng sau khi trộn, không được giả định thể tích đó bằng thể tích dung môi ban đầu. Hóa chất phòng thí nghiệm hiếm khi tinh khiết 100%; thuốc thử ghi nhãn "độ tinh khiết 98,5%" cần được tăng khối lượng để bù trừ. Một số hợp chất chứa nước liên kết trong cấu trúc tinh thể, gọi là nước kết tinh; đồng sulfate pentahydrat (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) có khối lượng trên mỗi mol lớn hơn đồng sulfate khan (159,61 g/mol), và dùng sai khối lượng phân tử sẽ làm thay đổi kết quả. Nhiệt độ làm thay đổi thể tích dung dịch, từ đó làm thay đổi nồng độ mol nhưng không làm thay đổi nồng độ molan.

Các câu hỏi thường gặp

Nồng độ mol và nồng độ molan khác nhau như thế nào? Nồng độ mol lấy thể tích dung dịch, tính bằng lít, làm mẫu số. Nồng độ molan lấy khối lượng dung môi, tính bằng kilôgam, làm mẫu số. Thể tích thay đổi theo nhiệt độ, còn khối lượng thì không. Đối với các dung dịch nước loãng ở nhiệt độ phòng, hai giá trị này gần bằng nhau.

Làm thế nào để chuyển ppm sang phần trăm? Chia giá trị ppm cho 10.000. Ví dụ, 5.000 ppm bằng 0,5%.

1 ppm có phải luôn bằng 1 mg/L không? Chỉ gần đúng, và chỉ đối với các dung dịch loãng có khối lượng riêng gần bằng 1 g/mL, chẳng hạn hầu hết các mẫu nước. Đối với chất lỏng đặc hơn, hai giá trị sẽ khác nhau.

Vì sao nồng độ đo được không khớp với kết quả tính toán? Các nguyên nhân thường gặp gồm thuốc thử không tinh khiết, nước liên kết trong cấu trúc tinh thể của chất tan, thể tích dung dịch được đo trước khi trộn hoàn toàn hoặc nhiệt độ khác với nhiệt độ dùng để pha dung dịch.

Nồng độ tối đa mà một chất tan có thể đạt được là bao nhiêu? Giới hạn là độ tan của chất tan trong dung môi đó ở nhiệt độ tương ứng. Muối ăn tan tối đa khoảng 36 g trong 100 mL nước ở nhiệt độ phòng; vượt quá mức đó, chất rắn chưa tan sẽ còn lại dưới đáy bình.

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến nồng độ không? Có, đối với các đơn vị dựa trên thể tích. Nước nở ra khi nóng lên, nên nồng độ mol của dung dịch giảm nhẹ khi đun nóng dù lượng chất tan không thay đổi. Phần trăm khối lượng và nồng độ molan, vốn dựa trên khối lượng, không bị ảnh hưởng.

Tài liệu tham khảo

1. Harris, D. C. (2015). Phân tích hóa học định lượng (lần xuất bản thứ 9). W. H. Freeman.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (ấn bản thứ 12). McGraw-Hill Education.
3. Liên minh Quốc tế về Hóa học Cơ bản và Hóa học Ứng dụng. (1997). Tuyển tập thuật ngữ hóa học ("Gold Book").
4. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/