Loading Preview
Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
Loading Preview
Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
4.9. DUNG DỊCH ĐỆMKhi thêm 1 ml dung dịch acid hydrochloric 0,1 M vào 1 lít nước thì pH sẽ thay đổi từ 7 – 4,nghĩa là 3 đơn vị, còn khi thêm cùng một lượng acid này vào 1 lít hỗn hợp chứa acid acetic [HAc] 0,1M và natriacetat 0,1 M [pH = 4,74] thì pH của dung dịch hầu như không thay đổi. Thực tế, khi thêmHCl vào hỗn hợp trên thì H+ do HCl phân ly ra sẽ tác dụng hoàn toàn với ion CH 3COO- để chuyểnthành một lượng tương đương acid acetic:HAcC0,1[]0,1 + 10-4⇌H++Ac-K = 1,8 . 10-50,1h0,1 - 10-4pH = 4,74Cũng vậy, tương tự khi thêm 1 ml dung dịch NaOH 0,1M vào 1 lít nước thì pH tăng từ 7 đến 10,nghĩa là 3 đơn vị, còn khi thêm cùng một lượng acid này vào 1 lít hỗn hợp chứa acid acetic [HAc] 0,1M và natriacetat 0,1 M thì pH của dung dịch hầu như không thay đổi.Ta nói rằng hỗn hợp acid acetic và natriacetat có tác dụng đệm, nghĩa là có khả năng duy trì giátrị pH ban đầu không đổi dưới tác dụng của các tác nhân làm thay đổi môi trường từ bên ngoài.Van Slyke đã định nghĩa “các chất đệm là những chất mà sự có mặt của chúng trong dung dịchsẽ làm tăng lượng acid hoặc kiềm phải cho vào dung dịch để làm pH của dung dịch tăng hoặc giảm 1đơn vị”.Hay: Dung dịch đệm là dung dịch có khả năng giữ cho pH của dung dịch thay đổi không đángkể thi thêm một lượng nhỏ axit hay bazơ mạnh.Thành phần của dung dịch đệmThành phần của dung dịch đệm thường là hỗn hợp của acid yếu và base liên hợp với nó.Đệm axit: gồm axit yếu và muối của acid yếu với base mạnh.Ví dụ: CH3COOH/CH3COONaĐệm bazơ: gồm base yếu và muối của base với acid mạnh.Ví dụ: NH3/NH4Cl.Đệm kép: gồm nhiều cặp acid - base.Ví dụ: hỗn hợp H3BO3, H3PO4, CH3COOH và NaOH có thể đệm pH từ 2 đến 12.Tác dụng đệm của các hệ nói trên được giải thích bởi sự có mặt đồng thời trong dung dịch haidạng acid yếu và base yếu. Khi thêm một lượng acid mạnh vào dung dịch đệm thì nó sẽ tác dụng hếtvới lượng base có mặt trong dung dịch để chuyển thành một lượng tương đương acid yếu, mà sự phânly của acid này bị hạn chế nhiều bởi sự có mặt của base yếu liên hợp vẫn còn dư trong dung dịch.Cũng tương tự như vậy, khi thêm một lượng base mạnh vào dung dịch đệm thì nó sẽ chuyển thành mộtlượng tương đương base yếu do đã tác dụng với acid yếu có mặt trong dung dịch với lượng dư, mà sựphân ly của acid này bị hạn chế nhiều bởi sự có mặt của base yếu liên hợp vẫn còn dư trong dung dịch.Cơ chế hoạt động của dung dịch đệm như sau:Xét dung dịch đệm chứa một cặp acid-basơ liên hợp HA/A-.Cân bằng phân ly trong dung dịch:HA [aq] + H2O ↔ A- [aq] + H3O+ [aq]HA [aq] ↔ A- [aq] + H+ [aq]Viết gọn:Ka =[H + ][A− ][HA][H + ] = K a .→[HA][A− ]Khi thêm OH- vào:OH- [aq] + HA [aq] → A- [aq] + H2O [l]Nồng độ HA bị giảm và A- và tăng lên bằng nồng độ [OH-] thêm vào, do đó tỉ lệ [HA]/[A-] giảm. Tuynhiên, sự giảm không đáng kể do nồng độ [OH -] rất bé so với nồng độ của [HA] và [A -] ban đầu. Dođó, [H+] thay đổi rất ít và pH thay đổi không đáng kể.Tương tự, khi thêm [H+]H+ [aq] + A- [aq] ⇌ HA [aq]Nồng độ [HA] và [A-] tăng và giảm một lượng bằng nồng độ [H+] thêm vào. Tuy nhiên sự thay đổikhông đáng kể do nồng độ [H+] rất nhỏ so với nồng độ [HA] và [A -] ban đầu. Chính vị vậy, tỷ lệ [HA]/[A-] tăng rất ít, nên pH thay đổi không đáng kể.Tóm lại, cơ chế hoạt động của dung dịch đệm là giữ cho pH của dung dịch thay đổi ít khi thêm lượngnhỏ acid mạnh hoặc bazơ mạnh [Hình 4.1].Hình 4.1: Cơ chế hoạt động của dung dịch đệm [Các em vẻ lại hình này nhé]Tính pH của dung dịch đệm- phương trình Henderson – HasselbalchXét dung dịch đệm gồm HA [nồng độ Ca] và A- [nồng độ Cb]Ta có cân bằng: HA [aq] ⇌ H+ [aq] + A- [aq]Ka =[H + ][A− ][HA][H + ] = K a .→[HA][A− ]Một cách gần đúng có thể lấy nồng độ lúc cân bằng gần bằng nồng độ ban đầu tức là [HA] ≈ Cavà [A-] ≈ Cb [vì HA là axit yếu đồng thời có mặt A- nên sự điện li HA là không lớn]. Và lấy –logarithoá hai vế phương trình ta được:pH = pK a − logpH = pK a + logHayCaCb[4.16]CbCaPhương trình này được gọi là phương trình Henderson – HasselbalchTừ công thức này ta thấy khi pha loãng dung dịch đệm, cả Ca và Cb đều thay đổi cùng tỉ lệ nhưnhau và tức là tỉ sốCbCakhông thay đổi. Do đó, pH của dung dịch đệm hầu như không thay đổi khi phaloãng.Ví dụ 4.22Trộn 60 ml dung dịch NH3 0,100M [pKa= 9,25] với 40 ml dung dịch NH4Cl 0,100M. Tính pHcủa dung dịch thu được biết NH4+ có Ka = 10-9,24.GiảiDễ thấy dung dịch sau khi trộn chính là dung dịch đệm bazơ NH3/NH4ClNồng độ các chất sau khi trộn0,100.0, 060C NH 3 == 0, 060 M0,1000CNH 4Cl =pH = pK a + logÁp dụng công thức:0,100.0, 040= 0, 040M0,1000Cb0, 060= 9, 24 + log= 9, 42Ca0, 040Ví dụ 4.23Tính pH của dung địch được điều chế bằng cách trộn lẫn 0,01000 mol HA mạnh trung bình[pKa=2,000] với 0,0100 mol A- vào nước cất và định mức tới vạch 1,0 L.Giải• Theo phương trình Henderson-HasselbalchpH ≈ pKa = 2,00• Xét cân bằng: HA [aq] H+ [aq] + A- [aq]0,0100-xx0,0100 + x+−[H ][A ]Ka =[HA]= = 10-2,00→ x = 0,000414 M → pH = -log [H+] = 2,38Như vậy pH của dung dich là 2,38 chứ không phải là 2,00 [tính theo phương trình]Sau khi trộn lẫn, nồng độ của [HA] và [A-] thay đổi:[HA] = 0,0100-0,00414= 0,00586 M[A-] = 0,0100 + 0,00414= 0,0141 MPhương trình Henderson-Hasselbalch luôn đúng vì nồng độ [HA] và [A -] trong phương trình lànồng độ cân bằng. Tuy nhiên, sẽ là không thích hợp nếu lấy [HA]=C a và [A-] = Cb là các nồng độ banđầu, trong trường hợp HA là acid mạnh trung bình, sự phân ly của HA là đáng kể.Ví dụ 4.24Tính thể tích NaOH 0,500 M cần thêm vào 10,0 g tris hydrochloride [pKa = 8,07] để điều chếđược 250 mL dung dịch đệm pH =7,60.GiảiSố mol tris hydrochloride là: 10,0/157,596 = 0,0635 molBH+ + OH- → BSố mol ban đầu 0,0635xSố mol cân bằng 0,0635-xxÁp dụng phương trình Henderson-Hasselbalch:pH = 7,60 = 8,07 + logx = 0,0160 molVNaOH = 32,0 mL.Đệm năngĐể đặc trưng tác dụng đệm của dung dịch, Van Slyke đã đưa ra khái niệm đệm năng β, nó là sốmol base mạnh [hoặc acid mạnh] phải cho vào 1 lít dung dịch để làm tăng [hoặc giảm] pH 1 đơn vị.[4.16]Trong đó: β là đệm năng; db là số mol base mạnh; da là số mol acid mạnh; dpH là độ tăng hoặcgiảm pH ứng với số mol base mạnh hoặc acid mạnh đã thêm vào, dấu âm chỉ ra rằng pH giảm khithêm acid vào. Hình 4.2 thể hiện sự phụ thuộc của đệm năng theo logarit [[[A-]/[HA]].Hình 4.2: Sự phụ thuộc của đệm năng theo logarit [[[A-]/[HA]] [Vẽ lại hình]Dĩ nhiên khi β càng lớn thì dung dịch đệm có khả năng đệm càng cao. Giá trị đệm năng phụthuộc vào nồng độ các acid và base liên hợp dùng để điều chế dung dịch đệm và phụ thuộc vào quanhệ nồng độ giữa chúng. Nghiên cứu cho thấy, đối với dung dịch đệm gồm đơn acid yếu và base liênhợp với nó thì đệm năng sẽ có giá trị cực đại khi nồng độ của acid yếu và base liên hợp với nó bằngnhau tức Ca = Cb [Hình 4.2]. Khi đó, pH = pKa.Do đó, trong thực nghiệm người ta thường pha dung dịch đệm có nồng độ axit và bazơ bằngnhau và chọn dung dịch đệm có pKa gần bằng giá trị pH cần đệm.Các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị pH của dung dịch đệmPhương trình Henderson-Hasselbalch cho phép tính toán pH của dung dịch đệm với nồng độdạng acid và bazơ cân bằng và đã tính tới sự ảnh hượng của hệ số hoạt độ. Tuy nhiên, lý do lớn nhấtmà pH của dung dịch đệm tính theo phương trình Henderson-Hasselbalch và pH thực tế đo được có sựkhác nhau trong nhiều trường hợp là do chúng ta luôn xem cường độ ion µ =0, hệ số hoạt độ là 1.Do đó, nếu biết được cường độ ion và giá trị pK a tương ứng, áp dụng phương trình HendersonHasselbalch, kết quả pH tính toán sẽ phù hợp hơn với thực tế.Sự ảnh hưởng cường độ ion lên giá trị pH của dung dịch đáng kể khi cường độ ion lớn. Ví dụ,dung dịch đệm dữ trữ phosphare 0,5 M có pH=6,60; khi pha loãng 10 lần để đạt nồng độ 0,05 M, pHtăng lên đáng kể là 6,90.Ngoài ra, pKa phụ thuộc vào nhiệt độ, giá trị pKa cho trong bảng được tính tại 250C. Đây cũng lànguyên nhân làm sai lệch pH tính toán với pH thực tế. Ví dụ, dung dịch đệm tris có pH = 8,07 tại 25oC; pH= 8,7 tại 4oC và đạt giá trị 7,7 tại 37 oC.Điều chế dung dịch đệmTrên thực tế, muốn điều chế một dung dịch đệm với giá trị pH nhất định, chúng ta không tínhtoán nồng độ dạng acid và dạng bazơ liên hợp rồi trộn lẫn. Cách điều chế dung dịch đệm được tiếnhành với các bước như trong ví dụ: Điều chế 1,00 L dung dịch đệm Tris hydrochoride [157,596 g/mol]với pH 7,60.1. Cân một lượng tris hydrochoride để được 0,100 mol, hòa tan vào cốc đã chứa sẵn khoảng 8002.3.4.5.mL nước cất.Nhúng điện cự pH vào dung dịch để kiểm soát pHThêm dung dịch NaOH 1M vào cho tới khi pH của dung dịch là 7,60Chuyển dung dịch trong cốc vào bình định mức 1 L, lưu ý tráng cốc vài lần bằng nước cất.Thêm nước cất tới vạch và lắc đều.
Rất nhiều phản ứng sinh học và hóa học cần độ pH không đổi để phản ứng diễn ra. Tuy nhiên vì nhiều tác động từ bên trong và bên ngoài như nhiệt độ, chất xúc tác… mà độ pH thay đổi và kết quả phản ứng không được chính xác như mong đợi.
Để khắc phục lỗi này, các kỹ thuật viên thường sử dụng một loại dung dịch đệm, vậy dung dịch đệm là gì? Tính chất và cách nó hoạt động, hãy cùng thiết bị Thịnh Phú tìm hiểu nha.
Dung dịch đệm là dung dịch chống lại sự thay đổi nồng độ, chỉ số pH khi thêm một lượng nhỏ axit hoặc kiềm vào dung dịch đó.
Việc sử dụng axit hoặc bazơ là thứ mang lại cho dung dịch đệm khả năng chống lại sự thay đổi pH, nó tạo ra trạng thái cân bằng giữa axit và bazơ mà các axit hoặc bazơ khác khó có thể vượt qua được.
Phân loại dung dịch đệm
Dung dịch đệm được chia thành hai loại gồm dung dịch đệm có tính axit và kiềm.
Dung dịch đệm có tính axit
Dung dịch đệm có tính axit đơn giản là dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7. Các dung dịch đệm có tính axit thường được tạo ra từ một axit yếu và một trong các muối của nó – thường là muối natri.
Một ví dụ phổ biến là hỗn hợp axit axetic và natri axetat trong dung dịch. Trong trường hợp này, nếu dung dịch có nồng độ mol bằng nhau của cả axit và muối thì nó sẽ có pH là 4,76. Không quan trọng nồng độ là bao nhiêu, miễn là chúng giống nhau.
Chúng ta có thể thay đổi độ pH của dung dịch đệm bằng cách thay đổi tỷ lệ axit với muối hoặc bằng cách chọn một axit khác và một trong các muối của nó.
Lưu ý: Nếu một axit rất yếu và một trong các muối của nó, điều này có thể tạo ra dung dịch đệm có tính kiềm.
Dung dịch đệm có tính bazơ
Dung dịch đệm kiềm có pH lớn hơn 7. Dung dịch đệm bazơ thường được tạo ra từ một bazơ yếu và một trong các muối của nó.
Một ví dụ thường được sử dụng là hỗn hợp dung dịch amoniac và dung dịch amoni clorua. Nếu trộn chúng theo tỉ lệ mol bằng nhau, dung dịch sẽ có pH là 9,25. Một lần nữa, không quan trọng bạn chọn nồng độ nào miễn là chúng giống nhau.
Tác dụng của dung dịch đệm
- Dung dịch đệm có nhiều ứng dụng, cả trong thực tế và trong phòng thí nghiệm.
- Độ pH đệm là cần thiết để hầu hết các enzym hoạt động chính xác.
- Dung dịch đệm được sử dụng để đảm bảo nồng độ màu thích hợp khi sử dụng thuốc nhuộm.
- Dung dịch đệm cũng được sử dụng để hiệu chuẩn thiết bị, đặc biệt là máy đo pH có thể bị hiệu chuẩn sai nếu không có dung dịch đệm.
Cần lưu ý rằng các dung dịch đệm không nhất thiết phải có độ pH trung tính, chỉ cần độ pH cân bằng. Dung dịch đệm được làm từ axit xitric, amoniac, axit axetic [được tìm thấy trong giấm với nồng độ thấp] và các hợp chất khác có thể có giá trị pH thấp hơn 2 hoặc cao hơn 10. Điều này cho phép sử dụng dung dịch đệm khi tác dụng với axit rất mạnh.
Cách hoạt động của dung dịch đệm
Dung dịch đệm phải có tính năng loại bỏ bất kỳ ion hydro hoặc ion hydroxit nào mà người dùng thêm vào nó, nếu không độ pH sẽ thay đổi. Các dung dịch đệm có tính axit và kiềm đạt được điều này theo những cách khác nhau.
Cách hoạt động của dung dịch đệm mang tính axit
Thịnh Phú sẽ lấy ví dụ về 2 loại dung dịch điển hình là hỗn hợp axit axetic và natri axetat. Ở đây, axit axetic bị ion hóa yếu trong khi natri axetat gần như bị ion hóa hoàn toàn. Các phương trình minh họa gồm:
CH3COOH ↔ H+ + CH3COO-
CH3COONa ↔ Na+ + CH3COC–
Đối với điều này, nếu bạn thêm một giọt axit mạnh như HCl, các ion H + từ HCl kết hợp với CH3COO- tạo ra CH3COOH bị ion hóa yếu . Do đó, có một sự thay đổi rất nhỏ trong giá trị pH. Bây giờ, nếu ta thêm một giọt NaOH, các ion OH- phản ứng với axit tự do để tạo ra các phân tử nước không phân ly.
CH3COOH + OH- ↔ CH3COO- + H2O
Bằng cách này, các ion OH- của NaOH bị loại bỏ và độ pH gần như không thay đổi.
Cách tạo dung dịch đệm từ axit citric
Để tạo dung dịch đệm axit citric, trộn axit citric với natri nitrat [bazơ liên hợp] trong nước đã khử ion hoặc nước cất, khuấy dung dịch cho đến khi bạn đạt được mức pH mong muốn.
Trộn 7,2 ml axit citric và 42,8ml natri citrat. Thêm nước khử ion vừa đủ để tổng thể tích của hỗn hợp là 100ml. Nước được sử dụng trong bộ đệm phải càng tinh khiết càng tốt [được khử ion hoặc nước cất] để duy trì độ pH trung tính [nghĩa là, để đảm bảo nước không ảnh hưởng đến mức độ pH]. Sử dụng máy đo pH để điều chỉnh độ pH và đạt được mức mong muốn. Luôn đeo kính bảo hộ và găng tay.
Xem thêm: Oxy hòa tan [DO] là gì
Thịnh Phú hy vọng qua bài viết này mọi người sẽ hiểu rõ hơn khái niệm dung dịch đệm là gì, tầm quan trọng, ứng dụng và cách điều chế.