Đinh Đoàn Long nước, dung dịch đệm và pH Đối với các chất có nhiều hơn một proton, hoặc trải qua nhiều hơn một bước ion hóa, chẳng hạn như H3PO4 hay H2CO3 được gọi là các axit đa proton.
Trang 1Đinh Đoàn Long nước, dung dịch đệm và pH
Đối với các chất
có nhiều hơn một
proton, hoặc trải
qua nhiều hơn một
bước ion hóa, chẳng
hạn như H3PO4 hay
H2CO3 được gọi là
các axit đa
proton Đường
cong chuẩn độ của
các axit này (như ví
dụ với H3PO4 trên
Hình 2-4) có dạng
phức tạp hơn so với
các đường cong
chuẩn độ của các
axit đơn proton
giống như axit
axêtic Một axit đa
proton có nhiều giá
trị pK khác nhau,
mỗi giá trị tương
ứng với một bước
ion hóa Ví dụ,
H3PO4 có ba hằng
số phân ly khác
nhau; điều này là
do điện tích của ion
thu được mỗi khi một proton bị tách ly sẽ ức chế sự phân ly của proton tiếp theo, do đó làm tăng giá trị của pK tương ứng Cũng theo nguyên tắc này, nếu một phân tử có nhiều gốc hóa học có thể ion hóa, thì sẽ có nhiều giá trị pK khác nhau; và nhiều sự kiện phân ly
đồng thời có thể làm đường cong chuẩn độ không còn “phẳng” nữa
Các dịch sinh học, bao gồm cả các dịch ngoại bào và nội bào, là các dung dịch đệm rất mạnh Chẳng hạn, pH máu ở người khỏe mạnh được duy trì ở 7,4 Các ion phosphate và bicarbonate là những nhân tố tạo đệm quan trọng nhất của phần lớn các dịch sinh học bởi chúng có pK thuộc vùng này (Bảng 2-4) Ngoài ra, nhiều phân tử sinh học, trong đó
có protein và một số lipid, cũng như nhiều phân tử hữu cơ kích thước nhỏ khác mang nhiều nhóm axit – bazơ tạo nên các thành phần đệm hiệu quả trong vùng pH sinh lý Trước thế kỷ XX, sự thay đổi các thuộc tính của các phân tử sinh học trong các dung dịch có độ pH khác nhau không được đánh giá đúng mức, vì vậy nhiều thí nghiệm vào thời gian đó không thu được kết quả lặp lại Ngày nay, hầu hết các dung dịch thí nghiệm
đều được bổ sung các thành phần đệm có độ pH giống với trong tự nhiên Một loạt các hợp chất tổng hợp được tạo ra được sử dụng như các thành phần đệm (Bảng 2-4) Năng lực đệm của một axit yếu (tức là khả năng kháng lại sự thay đổi pH do việc bổ sung các
Hình 2-4 Đường cong chuẩn độ của axit đa proton
Điểm tương đồng thứ nhất Điểm bắt đầu
Điểm tương đồng thứ hai
Điểm tương đồng thứ ba
Điểm giữa thứ hai
Điểm giữa thứ ba
Nồng độ ion phõn ly / phõn tử
Trang 2đương nhằm tạo ra giá trị pH của dung dịch mong đợi, với sự trợ giúp của máy đo pH Dung dịch thu được sau đó được chuẩn độ (tinh chỉnh) chính xác bởi một axit hoặc một bazơ mạnh
III Hệ đệm máu
Bicarbonate (HCO3
ư
) chính là chất đệm có vai trò quan trọng nhất trong hệ thống tuần hoàn ở người; các hợp chất đệm khác, như protein hay các axit hữu cơ, thường có mặt với nồng thấp hơn nhiều Năng lực đệm của máu chủ yếu phụ thuộc vào hai trạng thái cân bằng: (1) giữa khí CO2 hòa tan trong máu và axit carbonic hình thành qua phản ứng:
CO2 + H2O H2CO3
và (2) giữa axit carbonic và bicarbonate do sự phân ly của H+:
H2CO3 H+ + HCO3
ư
Giá trị pK chung của cả hai phản ứng là 6,35 (sự phân ly tiếp theo của HCO3
ư
thành CO32- có pK = 10,33 ít có ý nghĩa trong điều kiện pH sinh lý tế bào.)
Khi pH của máu giảm do trao đổi chất hình thành H+, thì sự cân bằng bicarbonate/axit carbonic chuyển về phía axit carbonic Cùng lúc đó, axit carbonic sẽ loại nước để trở thành CO2 được phổi thải ra ngoài qua dạng khí Ngược lại, khi pH của máu tăng lên, lượng HCO3
ư
tăng lên Hoạt động thở sẽ được điều chỉnh sao cho lượng CO2 trong phối sẽ
được hấp thụ ngược vào máu và chuyển thành axit carbonic Bằng cách này nồng độ ion
H+ luôn được duy trì như một hằng số Ngoài ra, thận cũng giữ một vai trò trong việc duy trì sự cân bằng axit – bazơ qua việc tiết ra HCO3
ư
và NH4
+
Các rối loạn liên quan đến hệ đệm máu có thể dẫn đến hội chứng nhiễm axit, với
độ pH máu thấp hơn 7,1 hoặc nhiễm kiềm, với pH máu cao hơn 7,6 (những giá trị sai khác 0,05 so với pH bình thường 7,4 không có ý nghĩa.) Ví dụ như, các bệnh phổi tắc nghẽn có thể ngăn cản sự giải phóng khí CO2 qua đường thở dẫn đến chứng nhiễm axit do hô hấp Hoặc như sự tăng tổng hợp các axit hữu cơ quá mức
từ các chất dinh dưỡng hoặc do lượng axit lactic tích tụ đột ngột trong quá trình vận động mạnh cũng có thể dẫn đến trạng thái nhiễm axit do trao đổi chất
Các rối loạn mất cân bằng axit – bazơ được loại bỏ bằng sử dụng các đệm phù hợp Trong điều trị ngắn hạn các rối loạn nhiễm axit, người ta thường tiêm NaHCO3 qua đường tĩnh mạch Việc điều trị các rối loạn nhiễm bazơ gặp khó khăn hơn Tuy vậy, nhiều trạng thái nhiễm bazơ do trao đổi chất đáp ứng tốt với việc truyền KCl hoặc NaCl (vì việc bổ sung Clư
giúp giảm thiểu tối đa lượng H+ do thận bài tiết), và các trạng thái nhiễm bazơ do hô hấp có thể được điều trị bằng hít thở không khí có nồng độ CO2 cao
Trang 3Đinh Đoàn Long nước, dung dịch đệm và pH
IV Một số bài tập về dung dịch đệm và pH
Bài tập 2-1 Hãy xác định giá trị pH của dung dịch gồm 1 lít nước tinh khiết chứa 10-4 mole H+ (ví dụ HCl)
Giải Nước tinh khiết có pH = 7, vậy [H+] = 10-7 M Nồng độ H+ bổ sung thêm
là 10-4 vượt xa nồng độ [H+] sẵn có
Vì vậy, có thể coi tổng nồng độ [H+] = 10-4 M, và giá trị pH của dung dịch là:
pH = - log[H+] = - log(10-4) = 4
Bài tập 2-2 Hãy xác định giá trị pH của dung dịch nước có thể tích 2 lít chứa 10
mL axit axetic 5M và 10 mL natri axetate 1 M
Giải Trước tiên, hãy tính nồng độ cuối cùng của axit và bazơ liên hợp với
nó theo đơn vị nồng độ mole/lít (M)
[Axit axetic] = (0,01 L x 5 M) / 2 L = 0,025 M
[Natri axetat] = (0,01 L x 1 M) / 2 L = 0,005 M
Thay các giá trị tính được vào công thức Henderson-Hasselbalch, với giá trị pK của axit axetic (tra từ bảng 2-4) là 4,76, ta có:
pH = pK + log ([Natri axetat]/ [Axit axetic])
= 4,76 + log (0,005 / 0,025)
= 4,76 – 0,7
= 4,06
Bài tập 2-3 Tính giá trị pH của 1 L dung dịch chứa 0,1 M axit formic và 0,1 M natri formate trước và sau khi bổ sung 1 mL NaOH 5 M Nếu lượng NaOH này
được bổ sung vào 1 L nước tinh khiết, thì độ pH của nước thay đổi thế nào?
Giải Từ bảng 2 -4 ta có pK của axit formic là 3,75 Do ở đây, [axit formic] = [formate], nên pH = pK = 3,75 Việc bổ sung 1 mL NaOH không làm thay đổi
đáng kể thể tích dung dịch vì vậy [NaOH] = (0,001 L x 5 M)/ 1 L = 0,005 M
Do NaOH là một bazơ mạnh, nên trong dung dịch hầu như ngay lập tức
nó phân ly thành OHư
, vì vậy [OHư
] = [NaOH] = 0,005 M
Lúc này, [axit formic] mới = 0,1 M – 0,005 M = 0,095 M
Còn [formate] mới = 0,1 M + 0,005 M = 0,105 M
Thay các giá trị tính được vào công thức Henderson-Hasselbalch, với giá trị pK của axit formic là 3,75, ta có:
pH = pK + log ([Formate]/ [Axit formic])
= 3,75 + log (0,105 / 0,095)
= 3,75 + 0,04
= 3,79
Khi thiếu các thành phần đệm axit formic/format, các giá trị [H+] và pH
có thể tính trực tiếp từ Kw; mà Kw = [H+][OHư
] = 10-14 Cụ thể ta có:
Trang 4(a) amôniăc và (b) axit phosphoric
Giải: a) pH4: NH4 +, pH8: NH4 +, pH11: NH3
b) pH4: H2PO4−, pH8: HPO4 2−, pH11: HPO4 2−
Câu 2 Tính pH của 1 L dung dịch chứa (a) 10 mL NaOH 5 M, (b) 10 mL Glycine
100 mM và 20 mL HCl 5 M, (c) 10 mL axit axetic 2 M và 5 g natri axetate (có MW = 82g/mole)
Giải: a) 0,01 L × 5 mol.L NaOH / 1L = 0,05 M NaOH ≡ 0,05 M OH−
[H+] = Kw / [OH−
] = 10-14 / (5 × 10-2) = 2 × 10-13
pH = - log [H+] = - log(2 × 10-13) = 12,7
b) 0,02 L × 5 mol.L HCl / 1 L = 0,1 M HCl ≡ 0,1 M H+
Do lượng glycin trong dung dịch (0,01 L × 0,1 mol.L / L = 1 mM) là quá nhỏ so với lượng axit mạnh HCl là 0,1 M, vậy:
pH = - log [H+] = - log(10-1) = 1
c) pH = pK + log ([Natri axetat]/ [Axit axetic])
= 4,76 + log ([5g××××1mol/82g] / [0,01 L××××2mol.L])
= 4,76 + log 3,05
= 4,76 + 0,48
= 5,24
Câu 3 Hãy tính sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn trong phản ứng phân ly của
HEPES (tham khảo Bảng 2-4 về HEPES)
Giải: ∆Go = - RT ln K
= - (8,314 J.K-1.mol-1)× × (298K) ln (3,39× × 10-8)
= - (8,314 J.K-1.mol-1)× × (298K) × × (-17,2)
= 42.614 J.mol-1 = 42,6 kJ
Câu 4 Một dung dịch được trộn 50 mL K2HPO4 2M với 25 mL KH2PO4 2M, rồi
được bổ sung nước tinh khiết đến thể tích cuối cùng là 200 mL pH của dung dịch cuối cùng bằng bao nhiêu? Viết cách tính
Giải: pK của K2HPO4 và KH2PO4 tương ứng với pK của HPO4 (A-) và H2PO4 (HA)
pH = pK + log ([A−]/ [HA]) = pK + log ([HPO4 2−
−
]/ [H2PO4
−
])
= 6,82 + log([0,05L××××2mol.L-1
×1L/0,2L] / [0,025L××××2mol.L-1
×1L/0,2L]) = 6,82 + log 2
= 6,82 + 0,30
= 7,12
Câu 5 Giá trị pK của axit yếu HA bằng bao nhiêu nếu một dung dịch chứa [HA] =
0,1 M và [A−
] = 0,2 M có pH = 6,5 ?
Giải: pH = pK + log ([A-]/ [HA]) ⇒⇒
pK = pH - log (0,2 / 0,1)
= 6,5 - log 2
= 6,5 - 0,3 = 6,2
Trang 5Đinh Đoàn Long nước, dung dịch đệm và pH
Cõu 6 Cần bổ sung bao nhiờu gram natri succinate (MW=140g/mole) và dinatri
succinate (MW=162g/mole) vào một lớt nước để tạo ra một dung dịch cú pH bằng 6,0 và nồng độ chất tan là 50 mM? Viết cỏch tớnh
Giải: Ở đõy, HA = natri succinate và A- = dinatri succinate
Cú [HA] + [A-] = 0,05 M ⇒ [A-] = 0,05 M - [HA]
Cú log[Aư]/ [HA] = pH – pK = 6,0 – 5,64 = 0,36
⇒ [Aư
]/ [HA] = 2,29
⇒ (0,05 M - [HA])/ [HA] = 2,29
⇒[HA] = 0,015 M
⇒[Aư
] = 0,035 M
Vậy lượng natri succinate và dinatri succinate cần bổ sung vào dung dịch là:
a) natri succinate = 0,015 mol.L-1 ì ì 140 g.mol-1 ì ì 1L = 2,1 gram
b) dinatri succinate = 0,035 mol.L-1 ì ì 162 g.mol-1 ì ì 1L = 5,7 gram
Cõu 7 Cần bổ sung bao nhiờu thể tớch dung dịch NaOH 5M vào 100 mL dung dịch
axit phosphoric 100 mM để pH chuyển từ 4 thành 9
Giải: Ở pH=4, hầu hết axit phosphoric ở dạng H2PO4 -, cũn ở pH=9, hầu hết axit
phosphoric ở dạng HPO42- Vỡ vậy, nồng độ OH- cần bổ sung phải tương
đương với nồng độ axit = 0,01M ⇔ 2 ml NaOH 5M
Cõu 8 Phỏt biểu dưới đõy là đỳng hay sai (đỏnh dấu )?