Trong hóa học vật lý các tính chất của dung dịch được nghiên cứu kỹ lưỡng để hiểu rõ mối quan hệ giữa các chất trong hỗn hợp. Một trong những định luật nổi bật có giá trị ứng dụng cao là định luật Raoult. Định luật này được đặt theo tên của nhà hóa học người Pháp François-Marie Raoult. Mô tả mối quan hệ giữa áp suất hơi của một dung môi khi thêm chất tan với phần mol của các thành phần trong dung dịch. Định luật Raoult gồm hai phần quan trọng. Phần một liên quan đến dung môi bay hơi khi thêm chất tan không bay hơi. Phần hai mở rộng ra cho cả trường hợp hai chất bay hơi hòa tan lẫn nhau. Bài viết này sẽ làm rõ hai phần định luật với vai trò của chúng trong khoa học cũng như trong công nghiệp.
Phần một của định luật Raoult
Khi một chất tan không bay hơi được thêm vào một dung môi bay hơi người ta nhận thấy áp suất hơi bão hòa của dung môi giảm xuống. Được định luật Raoult phần một mô tả một cách rõ ràng. Áp suất hơi bão hòa của dung môi trong dung dịch tỉ lệ thuận với phần mol của dung môi trong hỗn hợp. Càng nhiều chất tan phần mol của dung môi càng nhỏ do đó áp suất hơi cũng nhỏ theo.
Giải thích đơn giản cho hiện tượng này là do sự hiện diện của các phân tử chất tan trên bề mặt dung dịch làm giảm số lượng phân tử dung môi có thể thoát ra khỏi bề mặt vào pha hơi. Sự bay hơi bị hạn chế do ít vị trí thoát hơi hơn. Như vậy khi thêm chất tan vào dung môi, dung môi bay hơi ít hơn ở cùng điều kiện nhiệt độ. Là lý do vì sao dung dịch thường có nhiệt độ sôi cao hơn với nhiệt độ đóng băng thấp hơn so với dung môi tinh khiết.
Một ví dụ phổ biến là khi pha muối vào nước. Áp suất hơi của nước giảm do đó nước muối sôi ở nhiệt độ cao hơn nước tinh khiết. Rất hữu ích trong công nghệ chế biến thực phẩm cùng hệ thống giải nhiệt.
Phần hai của định luật Raoult
Phần hai của định luật Raoult mở rộng cho trường hợp cả hai chất đều bay hơi được. Khi trộn hai chất lỏng dễ bay hơi vào nhau áp suất hơi trên bề mặt dung dịch sẽ là tổng áp suất hơi riêng phần của từng chất. Mỗi áp suất hơi riêng phần tỉ lệ với phần mol của chất đó trong dung dịch nhân với áp suất hơi của nó khi ở trạng thái tinh khiết.
Cho thấy đóng góp của mỗi thành phần vào áp suất hơi tổng cộng phụ thuộc vào lượng tương đối cùng khả năng bay hơi của từng chất. Ví dụ khi trộn ethanol và nước do ethanol bay hơi tốt hơn, phần hơi sẽ có nồng độ ethanol cao hơn phần lỏng. Sự chênh lệch này là cơ sở cho việc thực hiện chưng cất để tách hỗn hợp.
Trong thực tế định luật Raoult phần hai là nền tảng cho các phương pháp chưng cất đơn giản đến chưng cất phân đoạn trong công nghiệp hóa dầu với sản xuất rượu. Các nhà kỹ thuật dựa vào công thức này để thiết kế tháp chưng cất chọn điều kiện vận hành dự đoán thành phần sản phẩm.
Dung dịch lý tưởng cùng giới hạn của định luật Raoult
Cả hai phần của định luật Raoult đều dựa trên giả định rằng dung dịch là lý tưởng. Có nghĩa là các phân tử của chất tan và dung môi tương tác với nhau giống như khi chúng tương tác với chính mình. Trong thực tế hiếm có dung dịch nào lý tưởng hoàn toàn. Có nhiều trường hợp dung dịch biểu hiện sai lệch so với lý thuyết. Nếu tương tác giữa các phân tử mạnh hơn, áp suất hơi thực tế thấp hơn dự đoán. Ngược lại nếu tương tác yếu hơn áp suất hơi cao hơn dự đoán.
Tuy nhiên trong khoảng nồng độ thấp định luật Raoult vẫn cho kết quả khá chính xác được dùng phổ biến trong các tính toán sơ bộ hay nghiên cứu cơ bản. Khi nồng độ cao hay có tương tác phân tử đặc biệt, người ta cần dùng hệ số hoạt độ hay các mô hình nhiệt động học khác để hiệu chỉnh kết quả.
Ứng dụng thực tiễn
Định luật Raoult không chỉ quan trọng trong lý thuyết mà còn có vai trò lớn trong nhiều lĩnh vực thực tiễn. Trong hóa học phân tích người ta sử dụng hiện tượng hạ áp suất hơi để tính nồng độ phân tử chất tan. Trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm kiểm soát áp suất hơi giúp thiết kế các quá trình bay hơi sấy khô bảo quản hiệu quả hơn.
Trong ngành dầu khí, định luật Raoult phần hai được sử dụng để mô phỏng vận hành tháp chưng cất phân đoạn. Khi chưng cất dầu thô việc tính toán thành phần hơi ở mỗi tầng là vô cùng quan trọng để tách đúng thành phần như xăng, dầu diesel hay dầu nhờn. Tất cả đều dựa vào mối quan hệ áp suất hơi và phần mol đã được định luật Raoult cung cấp.
Trong y học các dung dịch truyền tĩnh mạch với hỗn hợp dùng để kiểm soát độ ẩm, nồng độ đều cần tính đến ảnh hưởng của chất tan đến áp suất thẩm thấu với cả áp suất hơi. Nhờ đó việc thiết kế dung dịch phù hợp với sinh lý người bệnh trở nên chính xác an toàn.
Định luật Raoult là một công cụ mạnh mẽ trong hóa học dung dịch. Mô tả mối quan hệ giữa áp suất hơi với thành phần các chất trong dung dịch. Phần một của định luật cho biết dung môi có áp suất hơi giảm khi thêm chất tan không bay hơi. Phần hai mở rộng cho các dung dịch có nhiều chất bay hơi. Cả hai phần đều có ứng dụng sâu rộng trong nghiên cứu, công nghiệp với đời sống.
Tag định luật raoult 1, định luật raoult 2