Dung dịch đệm

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Bản mẫu:Acit & Bazơ

Với từng axit hoặc bazơ yếu, xin xem bài Tác nhân đệm. Với những bài viết không liên quan đến axit-bazơ hoá học, xin xem Đệm (định hướng).

Dung dịch đệm là một dạng dung dịch lỏng chứa đựng trong đó một hỗn hợp axit yếubazơ liên hợp của nó hoặc bazơ yếuaxit liên hợp. Tính chất đặc biệt của dung dịch này là khi ta cho thêm vào một lượng chất có tính bazơ hay axit thì pH của dung dịch mới thay đổi rất ít so với dung dịch khi chưa có tác động. Dung dịch đệm được ứng dụng rất nhiều trong ngành thí nghiệm và trong tự nhiên để giữ độ pH cố định.

Lý thuyết[sửa | sửa mã nguồn]

Trong dung dịch axit yếu luôn tồn tại một cân bằng giữa phân tử axit và bazơ liên hợp của nó, được biểu diễn như sau:[1]

HA + H2O cân bằng với H3O+ + A

Khi thêm ion H+ vào dung dịch, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía bên trái theo nguyên lý chuyển dời Le Chatelier; và cân bằng sẽ sang phải nếu ion H+ trong dung dịch bị giảm đi theo phản ứng H+ + OH- → H2O. Do vậy, khi có tác động cân bằng mới sẽ thiết lập và làm thay đổi pH.

Hằng số phân ly axit HA được định nghĩa bằng biểu thức dưới đây:

 K\mathrm{_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}}

Dùng một số thao tác biến đổi logarit ta được phương trình Henderson-Hasselbalch, trong đó pH phụ thuộc vào pKa

\mbox{pH=p}K\mathrm{_a+\log_{10}\frac{[A^-]}{[HA]}}.

Gọi [A] là nồng độ của bazơ liên hợp, [HA] là nồng độ của axit yếu tại thời điểm cân bằng được thiết lập. Ta có được đẳng thức pH=pKa khi nồng độ của axit và bazơ liên hợp bằng nhau, thường được gọi là bán trung hoà. Nhìn chung, việc tính toán pH của dung dịch đệm không khó khăn, chỉ cần biết các chất trong hỗn hợp, xem bảng Bắt đầu-Phản ứng-Cân bằng (hay còn gọi là ICE table).

Nên lưu ý, việc đo độ pH và tính toán pH không giống nhau. Điện cực thủy tinh điện sử dụng trong hầu hết các máy đo pH, điện cực này không chỉ dựa vào nồng độ ion hidro mà còn dựa vào hoạt tính của riêng nó do nhiều yếu tố gây ra, chủ yếu là độ mạnh ion của môi trường. Ví dụ, tính pH của dung dịch đệm phosphat thì được giá trị 7,96 nhưng pH thực lại là 7,4.

Xét tiếp ví dụ trên cho trường hợp bazơ yếu (B) và axit liên hợp (BH+).

B + H2O cân bằng với BH+ + OH-.

Giá trị pKa được dùng cho axit liên hợp với bazơ trên.

Nhìn chung, một dung dịch đệm có thể tạo thành từ nhiều hơn một axit yếu và các bazơ liên hợp của nó; ta có thể tạo ra một vùng đệm rộng hơn vùng đệm ban đầu bằng cách trộn các tác nhân đệm riêng lẻ.

Khả năng đệm[sửa | sửa mã nguồn]

Độ đệm với pKa=7 theo phần trăm

Độ đệm là một đại lượng định lượng dùng trong đo lường mức dung dịch cản trở quá trình thay đổi pH khi cho ion hidroxit vào. Nó được định nghĩa bằng công thức sau.

Độ đệm = \mathrm{\frac{dn}{d(pH)}}

trong đó dn là lượng bazơ biến thiên rất nhỏ và kéo theo d(pH) là sự thay đổi pH rất nhỏ. Với định nghĩa này, độ đệm có thể biểu diễn bằng công thức [2]

\mathrm{\frac{dn}{d(pH)}=2,303 \left(\frac{\mathit{K}_w}{[H^+]}+[H^+]+\frac{C_A \mathit{K}_a[H^+]}{\left(\mathit{K}_a+[H^+]\right)^2} \right)},

với Kwhằng số tự ion hoá của nước và CA là nồng độ axit ghi nhận được, bằng với [HA]+[A-]. Cụm Kw/[H+] đóng vai trò quan trọng khi pH lớn hơn 11,5 và cụm kế đóng vai trò quan trọng khi pH nhỏ hơn khoảng 2. Cả hai đều là những đặc trưng của nước và không phụ thuộc vào axit yếu. Xét cụm còn lại, ta thấy

  1. Độ đệm của axit yếu đạt cực đại khi giá trị pH = pKa
  2. Tại pH = pKa ± 1 độ đệm giảm còn lại 33% giá trị cực đại. Đây là khoảng xấp xỉ nằm trong vùng đệm hiệu quả của axit yếu. Ghi chú: khi pH = pKa - 1, phương trình Henderson-Hasselbalch cho ta kết quả [HA]:[A-] bằng 10:1.
  3. Độ đệm tỉ lệ trực tiếp với nồng độ ghi nhận được của axit.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Khả năng chống lại sự thay đổi pH đột ngột giúp dung dịch đệm được dùng phổ biến trong các quá trình hoá học và cần thiết cho các chu trình hoá sinh. Đệm lý tưởng cho một độ pH xác định cần phải có một con số pKa bằng với pH, vì thế mới tạo được dung dịch có khả năng đệm tối đa.

Dung dịch đệm giúp giữ nguyên độ pH cho các enzym trong các cơ thể sống hoạt động. Nhiều enzym chỉ hoạt động trong một điều kiện cố định; nếu độ pH vươn ra xa mốc ban đầu, enzym sẽ bị chậm hoá, ngừng làm việc hoặc tệ hơn là bị biến tính, do đó mãi mãi mất đi khả năng xúc tác.[3] Hỗn hợp đệm của axit cacbonic (H2CO3) và bicacbonat (HCO3) hiện diện trong huyết tương, nhằm duy trì pH trong giữa 7,35 và 7,45.

Trong công nghiệp, dung dịch đệm được dùng trong các quá trình lên men và được dùng trong từng trường hợp nhuộm riêng lẻ. Chúng cũngđược dùng trong ngành hoá phân tích[2] và chuẩn độ pH.

Phần lớn mẫu vật sinh học được nghiên cứu trong chất đệm đặc biệt PBS (dung dịch muối đệm phosphat) tại pH 7,4.

Hỗn hợp đệm[sửa | sửa mã nguồn]

Chất Khoảng pH
HCl, Natri xitrat 1 - 5
Axit xitric, Natri xitrat 2,5 - 5,6
Axit axetic, Natri axetat 3,7 - 5,6
Na2HPO4, NaH2PO4 6 - 9
Borac, Natri hidroxit 9,2 - 11

Hỗn hợp đa năng[sửa | sửa mã nguồn]

Bằng cách kết hợp các chất tan có pKa cách biệt nhau khoảng 2 đơn vị thì ta có thể thu được một dung dịch có khoảng đệm rất rộng. Axit xitric là hợp chất được dùng rất phổ biến vì nó có 3 nấc pKa. Khoảng đệm có thể rộng hơn tuỳ thuộc vào chất thêm vào. Hỗn hợp dưới đây cho một khoảng đệm dài từ pH 3 đến 8.

0,2M Na2HPO4/mL 0,1M Axit xitric/mL pH...
20,55 79,45 3,0
38,55 61,45 4,0
51,50 48,50 5,0
63,15 36,85 6,0
82,35 17,65 7,0
97,25 2,75 8,0

Hỗn hợp gồm axit xitric, kali dihidrophosphat, axit boric, và axit dietyl barbituric có thể phủ từ giá trị 2,6 đến 12 trong thang pH.[4]

Một số hợp chất đệm sinh học[sửa | sửa mã nguồn]

Tên thường pKa
tại 25°C
Khoảng đệm Tác động nhiệt
d(pH)/dT trong (1/K) **
Khối lượng mol Tên đầy đủ
TAPS 8,43 7,7–9,1 −0,018 243,3 axit 3-{[tri(hidroxymetyl)methyl]amino}propansulfonic
Bicine 8,35 7,6–9,0 −0,018 163,2 N,N-bis(2-hidroxyetyl)glycin
Tris 8,06 7,5–9,0 −0,028 121,14 tri(hidroxymetyl)metylamin
Tricine 8,05 7,4–8,8 −0,021 179,2 N-tri(hidroxymetyl)metylglycin
HEPES 7,48 6,8–8,2 −0,014 238,3 axit 4-2-hidroxyetyl-1-piperazineetansulfonic
TES 7,40 6,8–8,2 −0,020 229,20 axit 2-{[tri(hidroxymetyl)metyl]amino}etansulfonic
MOPS 7,20 6,5–7,9 −0,015 209,3 axit 3-(N-morpholino)propansulfonic
PIPES 6,76 6,1–7,5 −0,008 302,4 piperazine-N,N′-bi(axit 2-etansulfonic)
Cacodylate 6,27 5,0–7,4 138,0 axit dimetylarsinic
MES 6,15 5,5–6,7 −0,011 195,2 axit 2-(N-morpholino)etansulfonic

** Các giá trị được lấy xấp xỉ. [5]

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Beynon, R.J.; Easterby, J.S. (1996). Buffer solutions : the basics. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0199634424. 
  2. ^ a ă Hulanicki, A. (1987). Reactions of acids and bases in analytical chemistry (tạm dịch: Phản ứng axit và bazơ trong hoá phân tích). Horwood. ISBN 0853123306.  (translation editor: Mary R. Masson)
  3. ^ Scorpio, R. (2000). Fundamentals of Acids, Bases, Buffers & Their Application to Biochemical Systems. ISBN 0787273740. 
  4. ^ Medham, J.; Denny, R.C.; Barnes, J.D.; Thomas, M (2000). Vogel's textbook of quantitative chemical analysis (ấn bản 5). Harlow: Pearson Education. ISBN 0 582 22628 7.  Appendix 5
  5. ^ “Buffer Reference Center”. Sigma-Aldrich. Truy cập ngày 17 tháng 4 năm 2009. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]