Bộ đệm: Đặc điểm, chuẩn bị và ví dụ
Dung dịch đệm là những dung dịch có thể làm giảm sự thay đổi pH do các ion H 3 O + và OH-. Khi không có những thứ này, một số hệ thống (như sinh lý) bị ảnh hưởng, vì các thành phần của chúng rất nhạy cảm với những thay đổi đột ngột về pH.
Giống như bộ giảm xóc trong xe hơi làm giảm tác động do chuyển động của chúng, bộ đệm cũng làm tương tự nhưng với tính axit hoặc tính cơ bản của dung dịch. Hơn nữa, các giải pháp đệm thiết lập một phạm vi pH cụ thể trong đó chúng có hiệu quả.
Mặt khác, các ion H 3 O + sẽ axit hóa dung dịch (pH giảm xuống các giá trị dưới 6), dẫn đến sự thay đổi có thể xảy ra trong hiệu suất của phản ứng. Ví dụ tương tự có thể áp dụng cho các giá trị pH cơ bản, nghĩa là lớn hơn 7.
Các tính năng
Thành phần
Về bản chất, chúng bao gồm một axit (HA) hoặc một bazơ yếu (B) và các muối của bazơ hoặc liên hợp axit của nó. Do đó, có hai loại: chất đệm axit và chất đệm kiềm.
Các chất đệm axit tương ứng với cặp HA / A-, trong đó A- là bazơ liên hợp của HA axit yếu và tương tác với các ion giống như Na + - để tạo thành muối natri. Theo cách này, cặp đôi vẫn là HA / NaA, mặc dù chúng cũng có thể là muối kali hoặc canxi.
Khi xuất phát từ HA axit yếu, nó làm giảm độ pH của axit (dưới 7) theo phương trình sau:
HA + OH- => A- + H 2 O
Tuy nhiên, là một axit yếu, bazơ liên hợp của nó bị thủy phân một phần để tái tạo một phần HA đã tiêu thụ:
A- + H 2 O HA + OH-
Mặt khác, chất đệm kiềm bao gồm cặp B / HB +, trong đó HB + là axit liên hợp của bazơ yếu. Thông thường, HB + tạo thành muối với các ion clorua, để lại cặp là B / HBCl. Những bộ đệm đệm phạm vi pH cơ bản (lớn hơn 7):
B + H 3 O + => HB + + H 2 O
Và, một lần nữa, HB + có thể thủy phân một phần để tái tạo một phần B đã tiêu thụ:
HB + + H 2 OB + H 3 O +
Trung hòa cả axit và bazơ
Mặc dù các chất đệm axit đệm axit pH và chất đệm kiềm pH cơ bản, cả hai đều có thể phản ứng với các ion H 3 O + và OH- thông qua các phương trình hóa học sau:
A- + H 3 O + => HA + H 2 O
HB + + OH- => B + H 2 O
Do đó, trong trường hợp cặp HA / A-, HA phản ứng với các ion OH-, trong khi A- - bazơ liên hợp của nó - phản ứng với H 3 O +. Ngay khi cặp B / HB +, B phản ứng với các ion H 3 O +, trong khi HB + - axit của nó liên hợp - với OH-.
Điều này cho phép cả hai giải pháp đệm để trung hòa cả các loài axit và cơ bản. Kết quả của việc trên so với, ví dụ, việc bổ sung liên tục số mol OH-, là sự giảm độ biến thiên pH (pH):
Hình trên cho thấy sự giảm độ pH so với bazơ mạnh (nhà tài trợ của OH-).
Ban đầu độ pH là axit do sự hiện diện của HA. Khi cơ sở mạnh được thêm vào, các nốt ruồi đầu tiên của A- được hình thành và bộ đệm bắt đầu có hiệu lực.
Tuy nhiên, có một khu vực của đường cong nơi độ dốc ít dốc hơn; đó là, nơi giảm xóc hiệu quả hơn (khung màu xanh).
Hiệu quả
Có một số cách để hiểu khái niệm về hiệu quả đệm. Một trong số đó là xác định đạo hàm thứ hai của đường cong pH so với thể tích cơ sở, xóa V cho giá trị tối thiểu, đó là Veq / 2.
Veq là khối lượng tại điểm tương đương; Đây là khối lượng cơ bản cần thiết để trung hòa tất cả các axit.
Một cách khác để hiểu nó là thông qua phương trình Henderson-Hasselbalch nổi tiếng:
pH = pK a + log ([B] / [A])
Ở đây B biểu thị bazơ, A là axit và pK a là logarit thấp nhất của hằng số axit. Phương trình này áp dụng cho cả các loại axit HA và axit liên hợp HB +.
Nếu [A] rất lớn đối với [B], thì log () có giá trị rất âm, được trừ khỏi pK a . Nếu ngược lại [A] rất nhỏ so với [B], giá trị của log () có giá trị rất dương, được thêm vào pK a . Tuy nhiên, khi [A] = [B], log () bằng 0 và pH = pK a .
Tất cả những điều trên có nghĩa là gì? Rằng ΔpH sẽ lớn hơn trong các cực trị được xem xét cho phương trình, trong khi nó sẽ nhỏ hơn với pH bằng pK a ; và vì pK a là đặc trưng của từng axit, giá trị này xác định phạm vi pK a ± 1.
Các giá trị pH trong phạm vi này là những giá trị trong đó bộ đệm hiệu quả hơn.
Chuẩn bị
Để chuẩn bị một giải pháp đệm, cần lưu ý các bước sau:
- Biết độ pH cần thiết và do đó, độ pH bạn muốn giữ càng cố định càng tốt trong quá trình phản ứng hoặc quá trình.
- Biết độ pH, chúng tôi tìm kiếm tất cả các axit yếu, những chất có pK a gần với giá trị này.
- Một khi các loài HA đã được chọn và nồng độ của bộ đệm được tính toán (tùy thuộc vào lượng bazơ hoặc axit cần thiết để trung hòa), lượng muối natri cần thiết được cân.
Ví dụ
Axit axetic có pK a là 4, 75, CH 3 COOH; do đó, hỗn hợp một lượng nhất định axit này và natri axetat, CH 3 COONa, tạo thành một chất đệm hấp thụ hiệu quả trong phạm vi pH (3, 75-5, 75).
Các ví dụ khác về axit monoprotic là axit benzoic (C 6 H 5 COOH) và axit formic (HCOOH). Đối với mỗi giá trị này của pK a là 4, 18 và 3, 68; do đó, phạm vi pH của bộ đệm cao hơn là (3.18-5, 18) và (2, 68-4, 68).
Mặt khác, các axit polyprotic như phosphoric (H 3 PO 4 ) và carbonic (H 2 CO 3 ) có nhiều giá trị pK a như các proton có thể giải phóng. Do đó, H 3 PO 4 có ba pK a (2, 12, 7, 21 và 12, 67) và H 2 CO 3 có hai (6.352 và 10.329).
Nếu bạn muốn duy trì độ pH là 3 trong dung dịch, bạn có thể chọn giữa bộ đệm HCOONa / HCOOH (pK a = 3, 68) và NaH 2 PO 4 / H 3 PO 4 (pK a = 2, 12).
Bộ đệm đầu tiên, của axit formic, gần với pH 3 hơn so với dung dịch đệm axit photphoric; do đó, HCOONa / HCOOH được đệm tốt hơn ở pH 3 so với NaH 2 PO 4 / H 3 PO 4 .
