Dung dịch đệm (Buffer solution)

Thành phần của dung dịch đệm

Dung dịch đệm thường bao gồm một hỗn hợp của:

• Một axit yếu và muối của nó với một bazơ mạnh: Ví dụ, axit axetic ($CH_3COOH$) và natri axetat ($CH_3COONa$). Sự kết hợp này tạo ra một hệ đệm axit. Axit yếu phân ly một phần cung cấp ion $H^+$, trong khi muối của nó phân ly hoàn toàn cung cấp anion của axit yếu. Anion này có thể phản ứng với $H^+$ được thêm vào, giúp duy trì pH ổn định.
• Một bazơ yếu và muối của nó với một axit mạnh: Ví dụ, amoniac ($NH_3$) và amoni clorua ($NH_4Cl$). Sự kết hợp này tạo ra một hệ đệm bazơ. Bazơ yếu phản ứng với nước tạo ra ion $OH^-$, trong khi muối của nó phân ly hoàn toàn cung cấp cation của bazơ yếu. Cation này có thể phản ứng với $OH^-$ được thêm vào, giúp duy trì pH ổn định.

Cơ chế hoạt động

Khả năng đệm của dung dịch đến từ sự cân bằng giữa axit/bazơ yếu và ion liên hợp của chúng.

• Khi thêm axit mạnh: Ion $H^+$ từ axit mạnh sẽ phản ứng với bazơ liên hợp (ví dụ $CH_3COO^-$ trong trường hợp đệm axetat) để tạo thành axit yếu ($CH_3COOH$). Điều này làm giảm sự tăng nồng độ $H^+$, do đó hạn chế sự giảm pH.
  $CH_3COO^- + H^+ \rightleftharpoons CH_3COOH$
• Khi thêm bazơ mạnh: Ion $OH^-$ từ bazơ mạnh sẽ phản ứng với axit yếu (ví dụ $CH_3COOH$) để tạo thành nước và bazơ liên hợp ($CH_3COO^-$). Điều này làm giảm sự tăng nồng độ $OH^-$, do đó hạn chế sự tăng pH.
  $CH_3COOH + OH^- \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_2O$

Tính toán pH của dung dịch đệm

pH của dung dịch đệm axit có thể được tính toán bằng phương trình Henderson-Hasselbalch:

$pH = pK_a + log \frac{[A^-]}{[HA]}$

trong đó:

• $pH$ là pH của dung dịch đệm.
• $pK_a$ là logarit âm của hằng số phân li axit ($K_a$).
• $[A^-]$ là nồng độ của bazơ liên hợp.
• $[HA]$ là nồng độ của axit yếu.

Đối với dung dịch đệm bazơ yếu:

$pOH = pK_b + log \frac{[BH^+]}{[B]}$

và $pH = 14 – pOH$

trong đó:

• $pOH$ là pOH của dung dịch.
• $pK_b$ là logarit âm của hằng số phân li bazơ ($K_b$)
• $[BH^+]$ là nồng độ của axit liên hợp.
• $[B]$ là nồng độ của bazơ yếu.

Ứng dụng của dung dịch đệm

Dung dịch đệm có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực:

• Hóa học: Duy trì pH ổn định trong các phản ứng hóa học.
• Sinh học: Duy trì pH trong môi trường sinh học, ví dụ như máu người có hệ đệm bicarbonat để giữ pH trong khoảng 7.35-7.45. Sự ổn định pH này là cần thiết cho hoạt động của enzyme và các quá trình sinh học khác.
• Công nghiệp: Sử dụng trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm, mĩ phẩm và các quy trình công nghiệp khác.
• Nông nghiệp: Kiểm soát pH của đất trồng, giúp cây trồng hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn.

Giới hạn của dung dịch đệm

Dung dịch đệm chỉ có hiệu quả trong một khoảng pH nhất định, gần với $pK_a$ của axit yếu hoặc $pK_b$ của bazơ yếu (thường trong khoảng $pK_a ± 1$). Khi lượng axit hoặc bazơ mạnh thêm vào vượt quá khả năng đệm của dung dịch, pH sẽ thay đổi đáng kể. Khả năng đệm của dung dịch cũng phụ thuộc vào nồng độ của các thành phần trong dung dịch. Nồng độ càng cao, khả năng đệm càng lớn.

Dung tích đệm

Dung tích đệm (β) là một đại lượng đo lường khả năng chống lại sự thay đổi pH của dung dịch đệm. Nó được định nghĩa là số mol axit mạnh hoặc bazơ mạnh cần thêm vào 1 lít dung dịch đệm để thay đổi pH của dung dịch đi 1 đơn vị. Dung tích đệm phụ thuộc vào nồng độ của các thành phần trong dung dịch đệm và tỉ lệ giữa nồng độ của axit/bazơ yếu và bazơ/axit liên hợp. Dung tích đệm đạt giá trị cực đại khi tỉ lệ này bằng 1, tức là khi pH = pKa (đối với đệm axit) hoặc pOH = pKb (đối với đệm bazơ).

Công thức tính dung tích đệm (β) như sau:

$β = \frac{dC_B}{dpH} = -\frac{dC_A}{dpH}$

Trong đó:

• $dC_B$ là lượng bazơ mạnh thêm vào (mol/L).
• $dC_A$ là lượng axit mạnh thêm vào (mol/L).
• $dpH$ là sự thay đổi pH.

Chọn lựa dung dịch đệm phù hợp

Việc chọn lựa dung dịch đệm phù hợp phụ thuộc vào pH mong muốn cần duy trì. Nên chọn một axit yếu hoặc bazơ yếu có $pK_a$ hoặc $pK_b$ gần với pH mong muốn. Ví dụ, nếu cần duy trì pH khoảng 4.7, dung dịch đệm axetat ($pK_a$ của axit axetic khoảng 4.7) là một lựa chọn tốt. Ngoài ra, cần xem xét khả năng tương thích của dung dịch đệm với các thành phần khác trong hệ thống, cũng như độc tính và chi phí.

Một số ví dụ về dung dịch đệm thường gặp:

• Đệm axetat: $CH_3COOH/CH_3COONa$ (pH ≈ 4.7)
• Đệm phosphat: $H_2PO_4^-/HPO_4^{2-}$ (pH ≈ 7.2)
• Đệm Tris: Tris(hydroxymethyl)aminomethane và muối của nó (pH ≈ 7.0-9.0)
• Đệm cacbonat/bicacbonat: $H_2CO_3/HCO_3^-$ (trong máu, pH ≈ 7.4)

Chuẩn bị dung dịch đệm

Dung dịch đệm có thể được chuẩn bị bằng cách hòa tan lượng axit/bazơ yếu và muối của nó vào nước, hoặc bằng cách chuẩn độ axit/bazơ yếu với bazơ/axit mạnh cho đến khi đạt được pH mong muốn. Cần tính toán chính xác nồng độ của các chất để đạt được dung tích đệm mong muốn.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2006). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Harris, D. C. (2010). Quantitative Chemical Analysis. W. H. Freeman.
• Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Fundamentals of Analytical Chemistry. Brooks/Cole, Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài hệ đệm axit yếu/bazơ liên hợp và bazơ yếu/axit liên hợp, còn loại dung dịch đệm nào khác không?

Trả lời: Có, còn một loại dung dịch đệm khác được gọi là đệm amphoteric. Đây là những chất có thể hoạt động vừa như axit vừa như bazơ, ví dụ như các amino acid. Trong một khoảng pH nhất định, các amino acid có thể tồn tại dưới dạng ion lưỡng cực, có khả năng đệm chống lại sự thay đổi pH.

Làm thế nào để tính toán dung tích đệm của một dung dịch đệm cụ thể?

Trả lời: Dung tích đệm có thể được tính toán bằng cách sử dụng đạo hàm của phương trình Henderson-Hasselbalch hoặc bằng cách thực hiện thí nghiệm chuẩn độ. Một công thức gần đúng để tính dung tích đệm β (đối với dung dịch đệm axit yếu/muối) là:

$β = 2.303 C_{tổng} \frac{K_a[H^+]}{(K_a + [H^+])^2}$

trong đó $C_{tổng}$ là tổng nồng độ của axit yếu và bazơ liên hợp.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pH và dung tích đệm của dung dịch đệm là gì?

Trả lời: Nhiệt độ ảnh hưởng đến cả pKa (hoặc pKb) và do đó ảnh hưởng đến pH của dung dịch đệm. Sự thay đổi pKa theo nhiệt độ có thể được mô tả bằng phương trình van’t Hoff. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến dung tích đệm, thường làm giảm dung tích đệm khi nhiệt độ tăng.

Tại sao dung dịch đệm lại quan trọng trong sinh học?

Trả lời: Dung dịch đệm rất quan trọng trong sinh học vì hầu hết các quá trình sinh học chỉ diễn ra trong một khoảng pH hẹp. Ví dụ, enzyme, protein và các phân tử sinh học khác hoạt động tối ưu ở một pH cụ thể. Dung dịch đệm giúp duy trì pH ổn định trong các hệ thống sinh học, đảm bảo cho các quá trình này diễn ra bình thường.

Khi nào thì phương trình Henderson-Hasselbalch không còn chính xác?

Trả lời: Phương trình Henderson-Hasselbalch là một công thức gần đúng và có thể không chính xác trong một số trường hợp, ví dụ:

• Khi nồng độ của axit/bazơ yếu hoặc bazơ/axit liên hợp quá thấp (thường là dưới 0.001 M).
• Khi pH quá gần với 0 hoặc 14.
• Khi dung môi không phải là nước.
• Khi dung dịch quá đậm đặc.
• Khi có sự hiện diện của các ion khác có thể ảnh hưởng đến cân bằng axit-bazơ.

Trong những trường hợp này, cần sử dụng các phương pháp tính toán chính xác hơn để xác định pH của dung dịch đệm.