Độ tan của một chất trong một dung môi tại điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định được định nghĩa là tỉ lệ của chất đó tan trong dung môi để tạo thành dung dịch bão hòa chất tan.
Từ một dạng thuốc ban đầu, dược chất phải được giải phóng, hòa tan rồi mới được hấp thu để gây tác dụng dược lý và hiệu quả điều trị. Dược chất muốn được hấp thu qua màng sinh học thì nó phải được hòa tan tại vị trí hấp thu. Độ tan của dược chất quyết định mức độ và tốc độ giải phóng nó ra khỏi tá dược. Do đó độ tan quyết định mức độ và tốc độ hấp thu của thuốc vào cơ thể và ảnh hưởng đến sinh khả dụng cua thuốc.
Với các chất khí, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của nó trong dung môi giảm đi cho nên hoàn toàn có thể đuổi các chất khí như oxy, carbondioxid ra khỏi dung môi bằng cách đun nóng để tránh làm biến đổi, phân hủy và đảm bảo độ ổn định của dược chất. Với các chất rắn thu nhiệt khi hòa tan, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của nó cũng tăng lên còn với chất rắn tỏa nhiệt khi hòa tan, độ tan của chất đó sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng lên. Do đó trong quá trình bào chế, có thể tác động nhiệt thích hợp hoặc không tác động tùy thuộc vào bản chất chất tan để tăng độ tan của chúng trong dung môi.
Theo định luật Henry: Ở nhiệt độ không đổi, lượng chất khí hoà tan trong một thể tích chất lỏng xác định tỉ lệ thuận với áp suất của nó trên bề mặt chất lỏng. Khi áp suất tăng thì độ tan của chất tan tăng lên còn khi áp suất giảm đi thì độ tan của chất khí cũng giảm. Tuy nhiên định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp các chất khí có độ tan nhỏ trong điều kiện áp suất không quá cao.
Các chất phân cực thì dễ tan trong dung môi phân cực ví dụ như nước, dung dịch muối, kiềm, acid vô cơ, … ngược lại các chất ít phân cực thì dễ tan trong dung môi dung môi hữu cơ kém phân cực như benzene, toluene, dicloromethan, chloroform, … Ứng dụng trong việc lựa chọn dung môi hoặc hỗn hợp dung môi thích hợp với chất tan.
Chất rắn có thể tồn tại ở dạng kết tinh hoặc vô định hình. Độ tan của dạng vô định hình lớn hơn độ tan của chất ở dạng tinh thể do dạng kết tinh có cấu trúc mạng lưới tinh thể tương đối bền vững nên cần năng lượng để phá vỡ cấu trúc vì thế mà khả năng hoà tan khó hơn so với dạng vô định hình. Tuy nhiên dạng tinh thể ổn định hơn so với dạng vô định hình và chất rắn ở dạng vô định hình có xu hướng chuyển về dạng tinh thể. Với các chất khó tan thì nên chuyển về dạng vô định hình để tăng độ tan. Dược chất không ổn định nhứng khó tan ở dạng tinh thể thì có thể thêm các chất làm tăng độ tan thích hợp.
Chất rắn có thể tồn tại ở dạng khan hay ngâm nước trong quá trình kết tinh. Độ tan của dạng khan lớn hơn so với dạng ngậm nước
Tùy theo điều kiện kết tinh mà một chất rắn có thể kết tinh dưới nhiều dạng tinh thể khác nhau như tinh thể hydrat hoặc đồng kết tinh, … Các dạng kết tinh khác nhau có các đặc tính vật lý khác nhau và có độ tan trong dung môi cũng khác nhau. Các tinh thể kém bền hơn cần ít năng lượng để phá vỡ cấu trúc hơn là các tinh thể ở dạng bền hơn do đó nó dễ tan hơn. Tuy nhiên các dạng kết tinh không bền có xu hướng chuyển về dạng bền để ổn định hơn, điều này sẽ làm giảm độ tan của chất rắn.
Việc kiềm hóa dung môi sẽ làm tăng độ tan của các acid yếu [ví dụ phenobarbital, phenylbutazon, …], ngược lại acid hóa dung môi sẽ làm tăng độ tan của các chất kiềm yếu [ ví dụ các alkaloid như strychnine, scopolamine, …]. Với các chất lưỡng tính [ví dụ như các acid amin, các sulfamid, …] thì càng gần pH đẳng điện độ tan của nó sẽ càng giảm, do đó cần tăng hoặc giảm pH cách xa điểm đẳng điện để tăng độ tan của chất đó. Ứng dụng điều chỉnh pH đến giá trị thích hợp để dễ dàng hòa tan chất rắn trong dung môi. Ngoài ra việc điều chỉnh pH còn góp phần làm ổn định dược chất và giảm nguy cơ gây kích ứng của thuốc với niêm mạc.
Các chất điện ly trong dung dịch có thể làm giảm độ tan của chất tan do giảm độ phân ly của nó trong dung môi. Do đó cần pha loãng chất điện ly trước khi phối hợp vào dung dịch.
Tăng nồng độ các ion cùng tên sẽ làm chuyển dịch cân bằng điện ly của chất tan về phía dạng phân tử ít tan cho nên làm giảm độ tan của chất. Vì vậy cần chọn thứ tự hòa tan thích hợp, hòa tan chất ít tan trước rồi mới hòa tan chất dễ tan.
Các chất diện hoạt có cấu trúc lưỡng thân gồm một đầu thân dầu và một đầu thân nước. Khi nồng độ trong dung dịch tăng lên đến mức bão hòa thì chất diện hoạt có xu hướng quay đầu thân dầu vào nhau tạo thành các micell cầu, goi là nồng độ micell tới hạn. Nếu tiếp tục tăng nồng độ thì sẽ có xu hướng tạo thành các micell hình trụ. Trong quá trình tạo micell, các tiểu phân và phân tử chất tan sẽ được phân tán vào trong cấu trúc micell và nồng độ của chất đó trong micell lớn hơn nhiều so với bên ngoài dung dịch. Khi đó độ tan của chất tan, đặc biệt là các chất khó tan, tăng lên nhiều lần. Các chất diện hoạt hay dùng là tween [hay còn gọi là polysorbate] do khả năng làm tăng độ tan tốt và ít độc với người sử dụng.
Tham khảo thêm: Chất nhũ hóa là gì? Các loại chất nhũ hóa được ứng dụng trong dược phẩm
Việc sử dụng các các hỗn hợp dung môi đồng tan với nước như glycerin-ethanol-nước giúp làm tăng độ tan của các chất khó tan trong nước.
Tốc độ hòa tan là lượng chất hòa tan trong dung môi trong một đơn vị thời gian.
Tốc độ hòa tan tăng lên giúp quá trình pha chế nhanh hơn do đó giúp tiết kiệm thời gian, tăng năng suất, giảm bớt thời gian dược chất tiếp xúc môi trường nên hạn chế được các tác
động bất lợi đến độ ổn định dược chất như ánh sáng, không khí. Do đó giảm nhiễm tạp, nhiễm khuẩn và đảm bảo chất lượng của thuốc.
Tốc độ hòa tan được xác đinh theo công thức sau: dC/dt= D.A.[Cs-Ct]/h
Trong đó:
- dC/dt là tốc độ hòa tan chất tan
- A là diện tích bề mặt hòa tan
- Cs, Ct lần lượt là nồng độ bão hòa chất tan và nồng độ chất tan tại thời điểm t xác định.
- D là hệ số khuếch tán.
- h là chiều dày lớp khuếch tán.
Các yếu tố ảnh hưởng :
Diện tích bề mặt hòa tan [A] tăng thì tốc độ hòa tan của chất cũng tăng lên. Do đo có thể làm mịn chất tan bằng các thiết bj thích hợp để tăng diện tích tiếp xúc của các tiểu phân với dung môi.
Chiều dày lớp khuếch tán [h] tăng thì quãng đường khuếch tán của chất dài hơn nên tốc độ hòa tan giảm đi.
Chênh lệch nồng độ Cs-Ct tăng lên thì tốc độ hòa tan chất tan cũng tăng lên
Kích thước tiểu phân : làm nhỏ kích thước tiểu phân sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với dung môi do đó làm tăng tốc độ hòa tan của chất rắn.
Nhiệt độ : khi tăng nhiệt độ thì tốc độ hòa tan tăng do độ nhớt của dung môi giảm đi đồng thời hệ số khuếch tán D cũng tăng lên. Ứng dụng với các dung môi có độ nhớt cao như propylen glycol, glycerol, … cần đung nóng trước khi hòa tan dược chất.
1. Một số khái niệm về hệ phân tán
Hệ phân tán là hệ gồm 2 hay nhiều chất trong đó chất này được phân bố trong chất kia dưới dạng những hạt rất nhỏ.
Chất phân bố được gọi là chất phân tán [pha phân tán]. Chất chứa pha phân tán gọi là môi trường phân tán.
Chất phân tán được gọi là chất phân tán có thể ở 1 trong 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí.
Ví dụ:
- Đường tan trong nước thì đường là chất phân tán, còn nước là môi trường phân tán.
- Bụi phân tán vào không khí thì bụi là chất phân tán, còn không khí là môi trường phân tán.
Tính chất của hệ phân tán, đặc biệt tính bền của nó phụ thuộc vào kích thước của pha phân tán. Pha phân tán có kích thước hạt càng lớn thì chúng càng dễ lắng xuống và như thế hệ càng không bền. Dựa vào kích thước hạt phân tán người ta chia làm 3 hệ phân tán:
a. Hệ phân tán thô: là hệ có kích thước của hạt phân tán từ 10-7đến 10-4m.
- Đặc điểm không bền, chất phân tán dễ tách ra khỏi môi trường phân tán.
- Có 2 dạng:
+ Huyền phù: chất phân tán là rắn, pha phân tán là lỏng. Ví dụ: nước phù sa, vữa sơn, vôi dầu, nước đục, ....
+ Nhũ tương: chất phân tán là lỏng, pha phân tán là lỏng. Ví dụ: sữa có lẫn đường hạt mỡ.
b. Hệ keo: là hệ trong đó kích thước của hạt phân tán từ 10-9 đến 10-7.
- Đặc điểm tương đối bền, chỉ bị sa lắng khi điều kiện bên ngoài thay đổi.
Ví dụ: sương mù [hệ phân tán lỏng- khí], khói [hệ phân tán rắn khí].
c. Dung dịch thực [dung dịch]: kích thước của hạt phân tán 10-10 [bằng kích thước phân tử hoặc ion], trong đó chất phân tán và dung môi giữa chúng không có bề mặt phân chia, tạo thành một khối đồng nhất gọi là dung dịch thực.
Chất phân tán gọi là chất tan, môi trường phân tán gọi là dung môi. Với một lượng dung môi nhất định, lượng chất tan có thể biến thiên trong một giới hạn nhất định.
Vậy: dung dịch là hệ một pha nhiều cấu tử mà thành phần của nó có thể biến đổi trong một giới hạn nhất định.
Trong thực tế các dung dịch quan trọng nhất là dung dịch lỏng, đặc biệt là dung dịch có dung môi là nước.
2. Sự hòa tan, hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan
- Sự hòa tan: quá trình hòa tan là quá trình phân tán chất tan dưới dạng ion, nguyên tử, phân tử vào trong khắp thể tích của dung môi đồng thời xảy ra quá trình tương tác giữa các phân tử của dung môi với các phần tử [ion, nguyên tử, phân tử] của chất tan để tạo thành các hợp chất hóa học được gọi là sonvat, nếu dung môi là nước thì gọi là hidrat.
- Cơ chế của quá trình hòa tan bao gồm 2 giai đoạn:
+ Quá trình vật lý: là quá trình các chất tan phá vỡ trạng thái tập hợp ban đầu của nó để tạo thành các ion, nguyên tử, phân tử để khuếch tán vào toàn bộ thể tích dung môi.
Quá trình này cần tiêu tốn một năng lượng là ∆H1 > 0.
+ Quá trình hóa học: quá trình hòa trộn và tương tác hóa học giữa các tiểu phân chất tan với các phân tử dung môi [hình thành liên kết hidro, VanderWalls, ...] để tạo thành hợp chất Sonvat gọi là quá trình Sonvat hóa, nếu dung môi là nước thì tạo thành hợp chất hidrat [hidrat hóa]. Quá trình Sonvat hóa này giải phóng năng lượng gọi là năng lượng Sonvat hóa, ∆H2 < 0.
Thông thường, người ta hay sử dụng dung môi là nước, phần lớn các hợp chất hidrat không bền; có một số trường hợp tương đối bền, khi tách khỏi dung dịch dưới dạng tinh thể gọi là tinh thể hidrat và nước trong tinh thể gọi là nước kết tinh.
Ví dụ: CuSO4.5H2O; MgSO4.7H2O; Na2CO3.10H2O
- Nhiệt hòa tan: hiệu ứng nhiệt ∆Hht của quá trình hòa tan [nhiệt tạo thành dung dịch].
∆Hht = ∆H1 + ∆H2
Vì ∆H1 > 0, ∆H2 < 0 nên ∆Hht có thể âm hay dương nghĩa là quá trình hòa tan có thu hay phát nhiệt.
∆Hht > 0 khi │∆H1│ > │∆H2│: như khi hòa tan chất rắn, chất lỏng vào dung môi.
∆Hht < 0 khi │∆H1│ < │∆H2│: như khi hòa tan chất khí vào dung môi lỏng vì các phân tử khí ở xa nhau nên ∆H1 = 0.
∆Hht = 0 khi │∆H1│ = │∆H2│: dung dịch lý tưởng [dung dịch loãng].
Vậy, nhiệt lượng thoát ra hay thu vào khi hòa tan 1 mol của một chất vào lượng dung môi ở nhiệt độ, áp suất xác định được gọi là nhiệt hòa tan của chất đó.
Ví dụ: khi hòa tan 1 mol CaCl2 vào nước thoát ra một nhiệt lượng là 72,802kJ. Vậy ∆Hht [CaCl2] = -72,802kJ.
- Dung dịch bão hòa, dung dịch quá bão hòa
Quá trình hòa tan là quá trình thuận nghịch hóa học
Chất tan + dung môi ⇔ Dung dịch, ∆Hht
[rắn, lỏng, khí]
Quá trình thuận: là quá trình hòa tan.
Quá trình nghịch: là quá trình kết tinh [nếu chất tan là chất rắn], ngưng tụ tách lớp [chất tan là chất lỏng], thoát khí [chất tan là chất khí].
Khi đạt đến trạng thái cân bằng [∆G = 0] thì dung dịch ứng với trạng thái này được gọi là dung dịch bão hòa, là dung dịch không thể hòa tan thêm chất tan ở nhiệt độ nhất định.
Dung dịch có lượng chất tan thấp hơn lượng chất tan chứa trong dung dịch bão hòa gọi là dung dịch chưa bão hòa, có thể hòa tan thêm chất tan ở nhiệt độ nhất định.
Khi hòa tan các chất rắn, đôi khi tạo thành dung dịch quá bão hòa, có lượng chất tan lớn hơn lượng chất tan trong dung dịch bão hòa
3. Độ hòa tan
Ở một nhiệt độ nhất định, độ hòa tan của một chất trong một dung môi xác định bằng nồng độ dung dịch bão hòa chất đó.
Thông thường độ tan của chất rắn trong một chất lỏng được biểu thị bằng số mol chất tan có trong 1 lit dung dịch.
Đối với chất khí tan trong chất lỏng thì độ tan được biểu diễn bằng thể tích chất khí bão hòa trong một thể tích xác định của dung môi.
Độ tan thường được kí hiệu là S
- Khi dung dịch có nồng độ nhỏ hơn độ tan ta có dung dịch chưa bão hòa, chất tan có thể tan thêm.
- Khi dung dịch có nồng độ lớn hơn độ tan ở cùng nhiệt độ ta có dung dịch quá bão hòa. Các dung dịch quá bão hòa không bền, nếu khuấy, lắc hoặc thêm vào dung dịch một vài tinh thể chất rắn đó sẽ có sự kết tinh chất tan từ dung dịch và dung dịch sẽ trở về trạng thái bão hòa.
Độ hòa tan của một chất phụ thuộc vào:
+ Bản chất của dung môi và chất tan.
+ Nhiệt độ.
+ Áp suất [nếu chất tan là chất khí].
3.1 Ảnh hưởng của bản chất của chất tan và dung môi tới độ tan
- Các chất có cấu tạo phân tử tương tự nhau dễ hòa tan vào nhau, phân tử dung môi phân cực lớn thì hòa tan tốt các chất phân cực và ngược lại.
Ví dụ: Dung môi là nước là các phân tử phân cực → chỉ hòa tan các chất mà phân tử phân cực hoặc hợp chất ion như NaCl.
Nước ít hòa tan I2 vì I2 không phân cực.
Benzen không phân cực nên benzen không tan trong nước.
I2 tan tốt trong benzen → có màu tím.
- Có thể ứng dụng tính chất này trong chiết tách các hợp chất hữu cơ.
3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan
Các chất rắn khi hòa tan trong nước có độ tan phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Độ tan của một chất tăng khi nhiệt độ tăng nếu quá trình hòa tan đó là thu nhiệt.
Ví dụ: NH4Cl, KNO3, ... tan nhiều khi đun nóng.
- Độ tan của chất khí giảm khi nhiệt độ tăng vì quá trình hòa tan của chất khí tỏa nhiệt.
- Các chất lỏng khi trộn lẫn với nhau xảy ra một trong các trường hợp sau:
+ Hòa tan vô hạn: chúng hòa tan trong nhau không theo tỉ lệ. Ví dụ: rượu và nước, axit sunfuric và nước.
+ Hòa tan có giới hạn: chúng hòa tan một phần trong nhau. Ví dụ: ete và nước, anilin và nước.
+ Không tan: thực tế chúng không tan trong khi trộn lẫn. Ví dụ: thủy ngân và nước, benzen và nước.
Đa số trường hợp khi nhiệt độ tăng thì độ tan tương hỗ vào nhau của chất lỏng tăng.
3.3 Ảnh hưởng của áp suất [đối với chất khí]. Định luật Henry
Chất tan [khí] + dung môi ⇔ Dung dịch.
Khi P tăng thì độ hòa tan S tăng.
Khi P giảm thì độ hòa tan S giảm.
" Ở nhiệt độ không đổi, lượng chất khí hoà tan trong một thể tích chất lỏng xác định tỉ lệ thuận với áp suất của nó trên bề mặt chất lỏng"
S = k.P
Trong đó: k là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào bản chất chất khí và dung môi.
S: độ tan chất khí [mol/l].
P: áp suất của nó trên bề mặt chất lỏng.
Nếu trên bề mặt của chất lỏng có một hỗn hợp khí thì độ tan của mỗi khí tỉ lệ với áp suất riêng phần của từng khí.
Định luật Henry chỉ đúng cho chất khí có độ tan nhỏ [dung dịch loãng], ở áp suất không lớn và chất khí tác dụng với dung môi.
Page 2
Dung dịch đệm
Dung dịch đệm là dung dịch có pH thay đổi không đáng kể khi thêm vào đó một ít axit, bazơ hay pha loãng chúng.
2. Thành phần của dung dịch đệm và cơ chế tác dụng đệm
Một hệ đệm có thể gồm các chất sau:
CH3COOH + CH3COONa
NaHCO3 + Na2CO3
NH4Cl + NH3
Axit + Bazơ
Một cách tổng quát trong hệ đệm có mặt đồng thời với một tương quan đáng kể của hai dạng axit và bazơ của một cặp axit và bazơ liên hợp. Nghĩa là trong dung dịch đệm luôn luôn tồn tại cân bằng:
HA ⇔ H+ + A-
Vì vậy, khi thêm vào dung dịch đệm H+, cân bằng trên sẽ dịch chuyển theo chiều nghịch tạo ra axit điện li yếu HA. Ngược lại khi thêm bazơ OH- hay pha loãng, nồng độ H+ bị giảm xuống thì đồng thời cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thuận để tạo thêm H+ và do đó pH không bị thay đổi.
3. pH của dung dịch đệm
Giả sử dung dịch đệm gồm axit HA với nồng độ [HA], hằng số Ka và bazơ liên hợp A- với nồng độ [A-]. Từ cân bằng điện li:
HA ⇔ H+ + A-
Một cách tổng quát pH của dung dịch đệm:
pH = pKa + log [[bazo liên hợp]/[axit liên hợp]]
Phương trình trên gọi là phương trình Henderson – Hasellbalch.
Lưu ý: tỷ số nồng độ [[bazo liên hợp]/[axit liên hợp]] cũng là tỷ số mol của bazơ liên hợp và axit liên hợp trong dung dịch đệm.
Dựa vào phương trình Henderson – Hasellbalch, ta có thể:
- Tính pH của dung dịch đệm nếu biết pKa, [A-], [HA].
Ví dụ: Tính pH của dung dịch đệm gồm: 100ml dung dịch CH3COOH 0,1M và 50ml dung dịch CH3COONa 0,4M.
pH = 4,76 + log [[0,4x0,05]/[0,1x0,1]] = 5,06
Kinh nghiệm cho thấy, để đảm bảo một dung dịch đệm có khả năng đậm tốt thì nồng độ của một dạng này [axit hay bazơ liên hợp] không nên gấp quá 10 lần nồng độ của dạng kia. Điều đó có nghĩa là một dung dịch đệm tốt trong khoảng pH = pKa cộng trừ 1.