Chuẩn độ axit-bazơ — Quy trình, cách tính & chất chỉ thị

Chuẩn độ axit-bazơ là phương pháp xác định nồng độ chưa biết của một axit hoặc bazơ bằng cách cho nó phản ứng với một dung dịch chuẩn có nồng độ đã biết. Ta thêm dung dịch chuẩn cho đến khi phản ứng đạt điểm tương đương, nơi axit và bazơ đã phản ứng đúng theo tỉ lệ mol trong phương trình cân bằng.

Trong một bố trí thí nghiệm điển hình, bạn đo thể tích mẫu, thêm dung dịch chuẩn từ buret, quan sát điểm kết thúc và dùng thể tích dung dịch chuẩn đã dùng để tính nồng độ chưa biết. Nếu phản ứng là $1{:}1$, có thể dùng công thức rút gọn $C_aV_a = C_bV_b$. Nếu không phải $1{:}1$, bạn phải dùng phương trình cân bằng trước.

Vì sao chuẩn độ axit-bazơ có hiệu quả

Phương pháp này hiệu quả vì phản ứng trung hòa tuân theo tỉ lượng. Tại điểm tương đương, lượng các chất phản ứng không chỉ là “gần bằng nhau”. Chúng khớp đúng với phương trình hóa học đã cân bằng.

Điều đó rất quan trọng. HCl và NaOH phản ứng theo tỉ lệ $1{:}1$, nhưng axit sulfuric và natri hiđroxit phản ứng theo tỉ lệ $1{:}2$:

$$\mathrm{H_2SO_4} + 2\mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na_2SO_4} + 2\mathrm{H_2O}$$

Vì vậy, chỉ biết thể tích thì không bao giờ đủ. Bạn còn cần tỉ lệ mol từ phương trình.

Quy trình chuẩn độ axit-bazơ từng bước

Một phép chuẩn độ trong lớp học hoặc phòng thí nghiệm thường gồm các bước sau:

1. Tráng và đổ đầy buret bằng dung dịch chuẩn.
2. Dùng pipet lấy một thể tích đã biết của dung dịch chưa biết vào bình tam giác.
3. Nhỏ vài giọt chất chỉ thị thích hợp, hoặc dùng đầu dò pH.
4. Thêm dung dịch chuẩn trong khi lắc đều, rồi nhỏ từng giọt khi gần đến điểm kết thúc.
5. Ghi số đọc trên buret khi xuất hiện điểm kết thúc.
6. Lặp lại cho đến khi thu được các giá trị thể tích chuẩn độ phù hợp nhau.

Điểm kết thúc là tín hiệu quan sát được, chẳng hạn như sự đổi màu. Điểm tương đương là điểm tỉ lượng do hóa học xác định. Trong các bài tập sách giáo khoa, hai điểm này thường được xem như giống nhau, nhưng trong thí nghiệm thực tế chúng chỉ gần nhau.

Công thức và cách tính chuẩn độ axit-bazơ

Cách an toàn nhất là bắt đầu từ số mol và phương trình cân bằng:

$$\frac{n_{\text{acid}}}{a} = \frac{n_{\text{base}}}{b}$$

trong đó $a$ và $b$ là các hệ số tỉ lượng trong phương trình cân bằng.

Vì $n = CV$, ta có:

$$\frac{C_{\text{acid}}V_{\text{acid}}}{a} = \frac{C_{\text{base}}V_{\text{base}}}{b}$$

Đây là hệ thức tổng quát của chuẩn độ axit-bazơ.

Công thức rút gọn

$$C_aV_a = C_bV_b$$

chỉ đúng khi phản ứng là $1{:}1$.

Ví dụ có lời giải: Tìm nồng độ HCl chưa biết

Giả sử $25.0\ \mathrm{mL}$ axit clohiđric được chuẩn độ bằng dung dịch natri hiđroxit $0.100\ \mathrm{mol/L}$. Điểm kết thúc đạt được sau khi thêm $18.4\ \mathrm{mL}$ NaOH. Hãy tìm nồng độ của HCl.

Trước hết, viết phương trình phản ứng:

$$\mathrm{HCl} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{NaCl} + \mathrm{H_2O}$$

Đây là phản ứng $1{:}1$, nên số mol HCl và NaOH bằng nhau tại điểm tương đương.

Tính số mol NaOH đã thêm:

$$n(\mathrm{NaOH}) = CV = 0.100 \times 0.0184 = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

Vậy mẫu HCl cũng chứa:

$$n(\mathrm{HCl}) = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

Bây giờ chia cho thể tích axit tính theo lít:

$$C(\mathrm{HCl}) = \frac{0.00184}{0.0250} = 0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

Vậy nồng độ axit là:

$$0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

Ví dụ này cho thấy logic của hầu hết các bài toán chuẩn độ: nồng độ đã biết kết hợp với thể tích đo được cho số mol, và số mol cho nồng độ chưa biết.

Cách chọn chất chỉ thị phù hợp

Chất chỉ thị nên đổi màu trong đoạn dốc của đường cong chuẩn độ. Nếu khoảng chuyển màu của nó nằm quá xa vùng pH thay đổi mạnh, nó có thể báo điểm kết thúc quá sớm hoặc quá muộn.

Với chuẩn độ axit mạnh - bazơ mạnh, nhiều chất chỉ thị thông dụng đều có thể dùng vì bước nhảy pH gần điểm tương đương khá lớn. Với chuẩn độ axit yếu - bazơ mạnh, chất chỉ thị có khoảng chuyển màu ở phía bazơ thường phù hợp hơn, vì điểm tương đương thường lớn hơn $7$ trong dung dịch nước loãng. Với chuẩn độ axit mạnh - bazơ yếu, chất chỉ thị đổi màu trong vùng axit thường là lựa chọn tốt hơn.

Quy tắc thực tế rất đơn giản: hãy ghép chất chỉ thị với đường cong chuẩn độ, không chỉ dựa vào tên thuốc thử.

Những lỗi thường gặp trong chuẩn độ axit-bazơ

Tự động dùng $C_aV_a = C_bV_b$

Công thức rút gọn này chỉ đúng cho phản ứng $1{:}1$. Nếu các hệ số khác nhau, hãy dùng phương trình cân bằng trước.

Nhầm lẫn giữa điểm kết thúc và điểm tương đương

Điểm kết thúc là điều bạn quan sát được. Điểm tương đương là điều tỉ lượng xác định. Chúng nên gần nhau, nhưng theo định nghĩa thì không hoàn toàn giống nhau.

Vượt quá điểm kết thúc

Phần lớn thể tích cần thiết được thêm vào an toàn trước vài giọt cuối cùng. Khi gần điểm kết thúc, chỉ một giọt thừa cũng có thể tạo khác biệt.

Lẫn lộn đơn vị thể tích

Nếu bạn tính số mol bằng $n = CV$, hãy dùng nồng độ theo $\mathrm{mol/L}$ và thể tích theo $\mathrm{L}$. Nếu bạn dùng dạng tỉ số ở cả hai vế, đơn vị thể tích vẫn phải đồng nhất.

Khi nào dùng chuẩn độ axit-bazơ

Chuẩn độ axit-bazơ được dùng để xác định nồng độ chưa biết, chuẩn hóa dung dịch và kiểm tra nồng độ của một mẫu. Nó cũng biến ý tưởng trung hòa thành một phương pháp thí nghiệm có thể đo được.

Phương pháp này hữu ích nhất khi phản ứng trung hòa được xác định rõ ràng và điểm kết thúc có thể được phát hiện rõ ràng.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy thay đổi ví dụ đã giải sao cho thể tích NaOH là $22.0\ \mathrm{mL}$ thay vì $18.4\ \mathrm{mL}$, rồi giải lại. Sau đó, thử một trường hợp không phải $1{:}1$ như $\mathrm{H_2SO_4}$ với NaOH và lưu ý rằng cách thiết lập thay đổi trước khi phần tính toán thay đổi.