Dung dịch đệm

Dung dịch đệm là dung dịch chống lại sự thay đổi pH lớn khi thêm vào một lượng nhỏ axit mạnh hoặc bazơ mạnh. Hầu hết các ví dụ trong lớp học dùng một axit yếu với bazơ liên hợp của nó, hoặc một bazơ yếu với axit liên hợp của nó.

Ý tưởng cốt lõi rất đơn giản: dung dịch đệm có hai thành phần sẵn sàng phản ứng. Một thành phần loại bỏ $H^+$ được thêm vào, và thành phần kia loại bỏ $OH^-$ được thêm vào, nên pH thay đổi ít hơn so với trong dung dịch không có đệm.

Điều Gì Khiến Một Dung Dịch Trở Thành Dung Dịch Đệm

Một hệ đệm axit thường chứa:

1. một axit yếu, chẳng hạn axit axetic, $HA$
2. bazơ liên hợp của nó, chẳng hạn ion axetat, $A^-$

Một hệ đệm bazơ thường chứa:

1. một bazơ yếu
2. axit liên hợp của nó

Điều kiện then chốt là cả hai thành phần của cặp liên hợp đều có mặt với lượng đáng kể. Dung dịch chỉ chứa axit axetic thường không được xem là một dung dịch đệm thực tế vì nó không có nhiều bazơ liên hợp để hấp thụ axit được thêm vào.

Vì Sao Dung Dịch Đệm Chống Lại Sự Thay Đổi pH

Giả sử một dung dịch đệm chứa $HA$ và $A^-$. Nếu thêm một lượng nhỏ axit mạnh, bazơ liên hợp $A^-$ sẽ phản ứng với phần lớn lượng axit được thêm vào đó:

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

Nếu thêm một lượng nhỏ bazơ mạnh, axit yếu $HA$ sẽ phản ứng với phần lớn lượng bazơ đó:

$$HA + OH^- \rightarrow A^- + H_2O$$

Trong cả hai trường hợp, axit mạnh hoặc bazơ mạnh được thêm vào đều được chuyển thành một chất yếu hơn. pH không giữ nguyên hoàn toàn, nhưng nó thay đổi ít hơn so với khi không có cặp đệm.

Khi Nào Phương Trình Henderson-Hasselbalch Hữu Ích

Với hệ đệm axit yếu, một xấp xỉ được dùng rất rộng rãi là phương trình Henderson-Hasselbalch:

$$\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a + \log_{10}\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)$$

Phương trình này hữu ích nhất khi:

1. hệ đệm thực sự là một axit yếu và bazơ liên hợp của nó
2. cả hai thành phần đều có mặt với lượng đáng kể và có độ lớn tương đương nhau
3. có thể xem nồng độ là xấp xỉ chấp nhận được cho hoạt độ

Trong các bài tập trên lớp và nhiều bài toán kiểu phòng thí nghiệm, xấp xỉ này đủ tốt để xây dựng trực giác và giải các phép tính thông thường. Trong các tính toán chính xác hơn, các nhà hóa học còn xét đến hoạt độ, lực ion và các chi tiết cân bằng đầy đủ hơn.

Ví Dụ Có Lời Giải: Axit Axetic Và Axetat

Xét một dung dịch đệm tạo bởi axit axetic và axetat. Giả sử một dung dịch $1.0 \, \mathrm{L}$ chứa:

1. $0.20 \, \mathrm{mol}$ axit axetic, $HA$
2. $0.20 \, \mathrm{mol}$ axetat, $A^-$

Với axit axetic, lấy $\mathrm{p}K_a \approx 4.76$.

Vì axit và bazơ liên hợp có mặt với lượng bằng nhau,

$$\frac{[A^-]}{[HA]} = 1$$

nên

$$\log_{10}(1) = 0$$

và pH của dung dịch đệm xấp xỉ bằng

$$\mathrm{pH} \approx 4.76$$

Bây giờ thêm $0.010 \, \mathrm{mol}$ axit mạnh, $HCl$. $H^+$ được thêm vào sẽ phản ứng chủ yếu với axetat:

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

Lượng chất mới xấp xỉ là:

1. $A^-: 0.20 - 0.010 = 0.19 \, \mathrm{mol}$
2. $HA: 0.20 + 0.010 = 0.21 \, \mathrm{mol}$

Vì thể tích dung dịch vẫn gần bằng $1.0 \, \mathrm{L}$, tỉ số nồng độ xấp xỉ bằng tỉ số số mol:

$$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}\left(\frac{0.19}{0.21}\right)$$ $$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}(0.905) \approx 4.72$$

pH chỉ giảm nhẹ, từ khoảng $4.76$ xuống khoảng $4.72$. Sự thay đổi nhỏ đó chính là chức năng chính của dung dịch đệm.

Những Sai Lầm Thường Gặp Với Dung Dịch Đệm

Coi Mọi Dung Dịch Axit Yếu Đều Là Dung Dịch Đệm

Chỉ riêng một axit yếu có thể có pH, nhưng một dung dịch đệm thực tế cần có cặp liên hợp. Nếu không có cả hai thành phần, dung dịch sẽ kém khả năng hấp thụ axit hoặc bazơ được thêm vào hơn nhiều.

Cho Rằng pH Của Dung Dịch Đệm Luôn Không Đổi

Dung dịch đệm chống lại sự thay đổi. Nó không ngăn sự thay đổi hoàn toàn. Nếu thêm quá nhiều axit mạnh hoặc bazơ mạnh, hệ đệm có thể bị vượt quá khả năng.

Dùng Henderson-Hasselbalch Mà Không Nêu Điều Kiện

Phương trình này là một xấp xỉ, không phải một định luật tự động đúng cho mọi dung dịch. Nó đáng tin cậy nhất trong trường hợp thông thường của hệ đệm axit yếu hoặc bazơ yếu, chứ không phải cho mọi dung dịch đậm đặc hoặc lệch lý tưởng mạnh.

Bỏ Qua Dung Lượng Đệm

Hai dung dịch đệm có thể có cùng pH nhưng vẫn phản ứng khác nhau khi thêm axit hoặc bazơ. Một dung dịch đệm có nồng độ cao hơn thường có dung lượng đệm lớn hơn, nghĩa là nó có thể trung hòa nhiều axit hoặc bazơ được thêm vào hơn trước khi pH thay đổi đáng kể.

Quên Mất Việc Pha Loãng Làm Thay Đổi Điều Gì

Nếu bạn pha loãng một dung dịch đệm mà không làm thay đổi nhiều tỉ lệ axit trên bazơ, pH có thể vẫn khá gần như cũ, nhưng dung lượng đệm sẽ giảm. Dung dịch sẽ dễ bị vượt quá khả năng hơn.

Dung Dịch Đệm Được Dùng Ở Đâu

Dung dịch đệm được dùng khi pH cần được giữ trong một khoảng làm việc phù hợp. Các ví dụ phổ biến gồm hệ sinh học, công thức dược phẩm và thực phẩm, hóa phân tích, và các phép chuẩn độ gần những vùng mà pH nếu không có đệm sẽ thay đổi rất nhanh.

Chúng cũng quan trọng ngoài phòng thí nghiệm. Hóa học của máu, hoạt tính enzyme và nhiều quy trình công nghiệp đều phụ thuộc vào việc pH được giữ trong một khoảng hẹp, nên tính chất của dung dịch đệm là một phần giúp các hệ đó ổn định.

Thử Một Bài Tương Tự

Giữ nguyên hệ đệm axit axetic đó, nhưng thay vì thêm axit mạnh thì hãy thêm $0.010 \, \mathrm{mol}$ bazơ mạnh. Theo dõi thành phần nào phản ứng, cập nhật tỉ số $[A^-]/[HA]$, rồi kiểm tra xem pH có tăng lên gần bằng đúng mức mà nó đã giảm trong ví dụ trên hay không. Đây là bước tiếp theo gọn gàng nếu bạn muốn tự kiểm tra mức độ hiểu bài của mình.