Máy tính pH dung dịch đệm là gì?
Dung dịch đệm có khả năng chống lại sự thay đổi pH khi thêm vào một lượng nhỏ axit hoặc bazơ. Công cụ này áp dụng phương trình Henderson–Hasselbalch để xác định pH của dung dịch đệm dựa trên hằng số phân ly axit (biểu diễn dưới dạng pKa) cùng với nồng độ của bazơ liên hợp \([\text{A}^-]\) và axit yếu \([\text{HA}]\). Công cụ phù hợp với mọi cặp axit–bazơ liên hợp, chẳng hạn như axit axetic/axetat, amoni/amoniac hay các dung dịch đệm photphat.
Cách sử dụng
Bạn chỉ cần nhập ba giá trị: pKa của axit yếu, nồng độ mol của bazơ liên hợp \([\text{A}^-]\) và nồng độ mol của axit yếu \([\text{HA}]\). Máy tính sẽ trả về giá trị pH của dung dịch đệm, tỉ lệ bazơ trên axit và giá trị pOH tương ứng (ở 25 °C). Bạn có thể nhập nồng độ theo bất kỳ đơn vị nào miễn là nhất quán, vì kết quả chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chúng.
Giải thích công thức
Phương trình $$\text{pH} = \text{p}K_a + \log_{10}\!\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$$ cho thấy khi nồng độ bazơ và axit bằng nhau, số hạng logarit bằng 0 và pH bằng đúng pKa — đây cũng là điểm dung dịch có khả năng đệm mạnh nhất. Càng nhiều bazơ liên hợp thì pH càng tăng; càng nhiều axit yếu thì pH càng giảm. Mỗi lần tỉ lệ này thay đổi gấp mười lần, pH sẽ dịch chuyển đúng một đơn vị.
Ví dụ minh họa
Xét một dung dịch đệm axetat có pKa = 4,76, \([\text{A}^-] = 0{,}30\ \text{mol/L}\) và \([\text{HA}] = 0{,}10\ \text{mol/L}\): tỉ lệ là 3,0, \(\log_{10}(3{,}0) \approx 0{,}477\), do đó $$\text{pH} = 4{,}76 + 0{,}477 \approx \mathbf{5{,}24}$$
Các hệ thống đệm phổ biến và các giá trị pKa của chúng
Hoạt động đệm hiệu quả nhất xảy ra trong khoảng khoảng một đơn vị pH so với \(\text{p}K_a\) của hệ thống, nơi mà cơ số liên hợp và axit yếu có mặt ở các lượng có thể so sánh được. Bảng dưới đây liệt kê các hệ thống đệm được sử dụng rộng rãi với các giá trị \(\text{p}K_a\) gần đúng ở 25 °C và phạm vi đệm thực tế của chúng (\(\text{p}K_a \pm 1\)).
| Hệ thống đệm | Cân bằng | \(\text{p}K_a\) (25 °C) | Phạm vi đệm hữu ích |
|---|---|---|---|
| Axit citric (lần 1) | H₃Cit ⇌ H₂Cit⁻ | 3.13 | 2.1 – 4.1 |
| Axit acetic / acetate | CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ | 4.76 | 3.8 – 5.8 |
| Axit citric (lần 2) | H₂Cit⁻ ⇌ HCit²⁻ | 4.76 | 3.8 – 5.8 |
| Axit cacbonic (lần 1) | H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ | 6.35 | 5.4 – 7.4 |
| Axit citric (lần 3) | HCit²⁻ ⇌ Cit³⁻ | 6.40 | 5.4 – 7.4 |
| Phosphate (lần 2) | H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ | 7.20 | 6.2 – 8.2 |
| Tris (Tris-HCl) | TrisH⁺ ⇌ Tris | 8.07 | 7.1 – 9.1 |
| Ammonium / amoniac | NH₄⁺ ⇌ NH₃ | 9.25 | 8.3 – 10.3 |
| Axit cacbonic (lần 2) | HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ | 10.33 | 9.3 – 11.3 |
Như một phép kiểm tra đã thực hiện, một đệm acetate có nồng độ bằng nhau của acetate \([A^-]\) và axit acetic \([HA]\) có \(\text{pH} = 4.76 + \log_{10}(1) =\) 4.76, chính xác ở \(\text{p}K_a\) của nó. Lưu ý rằng \(\text{p}K_a\) của Tris không thường xuyên nhạy cảm với nhiệt độ và giảm khi nhiệt độ tăng.
Các thuật ngữ và biến chính
- \(\text{p}K_a\)
- Lôgarit âm cơ số 10 của hằng số phân ly axit, \(\text{p}K_a = -\log_{10} K_a\). Một \(\text{p}K_a\) thấp hơn có nghĩa là một axit mạnh hơn. Một đệm hoạt động tốt nhất khi pH mục tiêu gần với \(\text{p}K_a\) của nó.
- \(K_a\) (hằng số phân ly axit)
- Hằng số cân bằng cho sự phân ly \(HA \rightleftharpoons H^+ + A^-\), được định nghĩa là \(K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}\). Một \(K_a\) lớn hơn chỉ ra một axit mạnh hơn.
- Cơ số liên hợp \([A^-]\)
- Nồng độ mol của chất được hình thành khi axit yếu cho ra một proton. Nó là tử số trong tỷ số Henderson–Hasselbalch và trung hòa axit được thêm vào.
- Axit yếu \([HA]\)
- Nồng độ mol của dạng axit chưa phân ly (được protonated). Nó là mẫu số trong tỷ số và trung hòa cơ số được thêm vào.
- Dung lượng đệm
- Một thước đo mức độ một đệm có thể hấp thụ axit mạnh hoặc cơ số mạnh với ít thay đổi pH. Nó lớn nhất khi \([A^-] \approx [HA]\) (ở \(\text{p}K_a\)) và ở nồng độ đệm toàn bộ cao hơn.
- pH
- Một thước đo hoạt động của ion hydro, \(\text{pH} = -\log_{10}[H^+]\). Các giá trị thấp hơn có tính chất axit; 7 là trung tính ở 25 °C.
- pOH
- Đối tác dựa trên hydroxide, \(\text{pOH} = -\log_{10}[OH^-]\). Ở 25 °C, \(\text{pH} + \text{pOH} = 14\).
- Tỷ số cơ số-axit \(\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)\)
- Tỷ lệ của cơ số liên hợp với axit yếu. Một tỷ số là 1 cho \(\text{pH} = \text{p}K_a\); các tỷ số từ 0.1 đến 10 (một sự dịch chuyển \(\pm 1\) pH) xác định cửa sổ đệm thực tế.
Câu hỏi thường gặp
Điều gì xảy ra khi nồng độ bazơ và axit bằng nhau? Khi đó pH = pKa, vì \(\log(1) = 0\).
Phương trình có áp dụng cho dung dịch quá loãng hay quá đậm đặc không? Không — Henderson–Hasselbalch giả định hệ ở trạng thái lý tưởng và nồng độ cân bằng xấp xỉ nồng độ ban đầu, nên công thức chính xác nhất với các dung dịch đệm có nồng độ vừa phải và pH gần pKa.
Tôi có thể dùng cho một bazơ và axit liên hợp của nó không? Được, hãy chuyển pKb sang pKa bằng công thức \(\text{p}K_a = 14 - \text{p}K_b\), rồi áp dụng cùng phương trình.
