Công cụ này dùng để làm gì
Công Cụ Tính Tỉ Lệ Đệm Để Đạt pH Mục Tiêu cho bạn biết chính xác cần bao nhiêu bazơ liên hợp so với axit yếu để đạt được pH mong muốn. Công cụ biến đổi phương trình Henderson-Hasselbalch sao cho chỉ cần nhập pH mục tiêu và pKa của dung dịch đệm, bạn lập tức có ngay tỉ lệ mol [bazơ]/[axit] cần thiết, kèm theo phần trăm của từng dạng. Đây là kiến thức hóa học phổ quát, áp dụng được ở bất cứ đâu.
Cách sử dụng
Nhập giá trị pH mà bạn muốn dung dịch đệm duy trì, cùng với pKa của cặp axit–bazơ liên hợp bạn đang dùng (ví dụ: axit axetic pKa 4,76; phosphate pKa 7,2; Tris pKa 8,06). Công cụ sẽ trả về tỉ lệ giữa bazơ liên hợp và axit, cùng với tỉ lệ phần trăm của dung dịch đệm ở mỗi dạng. Chỉ cần nhân tỉ lệ này với số mol axit để biết số mol bazơ cần thêm vào.
Giải thích công thức
Phương trình Henderson-Hasselbalch được viết là \(\text{pH} = \text{pK}_a + \log\left(\frac{[\text{bazơ}]}{[\text{axit}]}\right)\). Giải ra tỉ lệ ta có
$$\frac{[\text{bazơ}]}{[\text{axit}]} = 10^{\,\text{pH} - \text{pK}_a}$$Khi pH bằng pKa thì tỉ lệ là 1 (hỗn hợp 50:50 — điểm có khả năng đệm tối đa). Cứ tăng 1 đơn vị pH so với pKa thì tỉ lệ tăng gấp 10 lần; giảm 1 đơn vị thì tỉ lệ giảm 10 lần.
Ví dụ minh họa
Để pha dung dịch đệm phosphate ở pH 7,4 bằng một dạng có pKa 6,1, tỉ lệ sẽ là $$10^{(7{,}4 - 6{,}1)} = 10^{1{,}3} \approx 19{,}95.$$ Vậy bạn cần khoảng 19,95 phần bazơ liên hợp cho mỗi 1 phần axit — tức khoảng 95,2% bazơ và 4,8% axit.
Các giá trị pKa phổ biến của dung dịch đệm
Phương trình Henderson–Hasselbalch hoạt động tốt nhất khi pH mục tiêu nằm trong khoảng xấp xỉ \(\pm 1\) đơn vị của \(\text{pK}_a\) của dung dịch đệm, trong đó tỷ lệ cơ số liên hợp/axit nằm trong khoảng xấp xỉ 0,1 đến 10. Bảng dưới đây liệt kê các giá trị \(\text{pK}_a\) (ở hoặc gần 25 °C) cho các dung dịch đệm được sử dụng rộng rãi cùng với các phạm vi đệm thực tế của chúng.
| Dung dịch đệm | pKa | Phạm vi pH hữu ích |
|---|---|---|
| Axit citric (pKa1) | 3,13 | 2,1 – 4,1 |
| Axit acetic | 4,76 | 3,8 – 5,8 |
| Axit citric (pKa2) | 4,76 | 3,8 – 5,8 |
| MES | 6,15 | 5,5 – 6,7 |
| Bicarbonate (pKa1) | 6,35 | 5,4 – 7,4 |
| Axit citric (pKa3) | 6,40 | 5,4 – 7,4 |
| Phosphate (pKa2) | 7,20 | 6,2 – 8,2 |
| MOPS | 7,20 | 6,5 – 7,9 |
| HEPES | 7,55 | 6,8 – 8,2 |
| Tris | 8,06 | 7,0 – 9,0 |
| Borate | 9,24 | 8,2 – 10,2 |
| Glycine (pKa2) | 9,60 | 8,6 – 10,6 |
Phạm vi hữu ích là xấp xỉ \(\text{pK}_a \pm 1\); bên ngoài cửa sổ này, dung dịch đệm có ít khả năng chống lại sự thay đổi pH vì một trong hai chất chiếm ưu thế.
Tỷ lệ Cơ số-trên-Axit trên các giá trị pH mục tiêu
Vì tỷ lệ chỉ phụ thuộc vào chênh lệch \(\text{pH}-\text{pK}_a\), một bảng duy nhất đủ cho mọi dung dịch đệm. Mỗi bước một đơn vị pH thay đổi tỷ lệ theo hệ số mười. Các tỷ lệ phần trăm cho thấy phần nào của tổng dung dịch đệm tồn tại dưới dạng cơ số liên hợp \(\text{A}^-\) so với axit \(\text{HA}\).
| pH − pKa | Tỷ lệ [A−]/[HA] | % cơ số (A−) | % axit (HA) |
|---|---|---|---|
| −2,0 | 0,01 | 0,99 % | 99,01 % |
| −1,0 | 0,10 | 9,1 % | 90,9 % |
| −0,5 | 0,316 | 24,0 % | 76,0 % |
| 0,0 | 1,00 | 50,0 % | 50,0 % |
| +0,5 | 3,16 | 76,0 % | 24,0 % |
| +1,0 | 10,0 | 90,9 % | 9,1 % |
| +2,0 | 100 | 99,01 % | 0,99 % |
Tại điểm giữa (\(\text{pH}=\text{pK}_a\)) cơ số và axit bằng nhau và khả năng đệm là lớn nhất. Ngoài \(\pm 1\) đơn vị, một dạng chiếm tới hơn 90 % dung dịch đệm, do đó khả năng giảm mạnh.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao nên giữ pH trong khoảng ±1 đơn vị quanh pKa? Khi ra ngoài khoảng ±1 đơn vị pH, hơn 90% dung dịch đệm sẽ ở một dạng duy nhất và chống lại sự thay đổi pH rất kém, nên khả năng đệm yếu đi.
Nhiệt độ có ảnh hưởng không? Có — giá trị pKa thay đổi theo nhiệt độ (đặc biệt là Tris), vì vậy hãy dùng pKa ứng với nhiệt độ làm việc của bạn.
Làm sao chuyển tỉ lệ thành lượng cụ thể? Chọn một nồng độ đệm tổng, sau đó chia theo phần trăm bazơ và axit được hiển thị.
