Đánh giá khả năng xác định hằng số cân bằng của các amino axit và axit tương đối mạnh trong dung dịch nước bằng phương pháp chuẩn độ điện thế

Hằng số cân bằng (HSCB) của axit oxalic và axit glutamic (là một trong các amino axit) đã được xác định thông qua kĩ thuật chuẩn độ điện thế một dung dịch axit mạnh (HCl) và một dung dịch hỗn hợp gồm axit mạnh (HCl) với axit nghiên cứu (gọi là kĩ thuật chuẩn độ hỗn hợp).

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA CÁC AMINO AXIT VÀ AXIT TƯƠNG ĐỐI MẠNH TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ Đến tòa soạn 24-10-2019 Trần Thế Ngà, Đào Thị Phương Diệp Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội SUMMARY EVALUATION OF ABILITY TO DETERMINE DISSOCIATION CONSTANTS OF AMINO ACIDS AND RELATIVELY STRONG ACIDS IN AQUEOUS SOLUTION BY POTENTIOMETRIC TITRATION METHOD In this study, the dissociation constants of acids such as sulfuric acid (the second dissociation constant), oxalic acid and glutamic acid were determined, through individual potentiometric titration of each studied acid solution However, the first calculated dissociation constant of oxalic acid differs with the literature value significantly Moreover, the first dissociation constant of glutamic acid cannot be determined The result shows that it needs to add strong acid to the studied acid solution for determining acid dissociation constants of amino acids and ones stronger than 10–2 of acids (pKa < 2) by the potentiometric titration method Keywords: Dissociation constant; sulfuric acid, oxalic acid and glutamic acid; potentiometric titration MỞ ĐẦU Hằng số cân (HSCB) axit oxalic [1] axit glutamic (là ạmino axit) [2] xác định thông qua kĩ thuật chuẩn độ điện dung dịch axit mạnh (HCl) dung dịch hỗn hợp gồm axit mạnh (HCl) với axit nghiên cứu (gọi kĩ thuật chuẩn độ hỗn hợp) Kết thu hoàn toàn phù hợp với tài liệu công bố [3], [4] Tuy vậy, hạn chế kĩ thuật chuẩn độ việc cần phải pha nồng độ axit mạnh dung dịch chuẩn độ nhau, xử lý số liệu cần phải tính giá trị V1 V2 – thể tích bazơ mạnh cần thêm vào dung dịch phân tích để dung dịch có giá trị pH Theo nhận xét [1], axit nhằm làm giảm độ điện li axit nghiên cứu, làm giảm pH hệ, làm tăng số điểm thực nghiệm để xử lý thống kê, nhờ tăng độ tin cậy kết tính Vậy vấn đề đặt là: i) Đối với amino axit axit có pKa < 2, không thêm axit mạnh vào hệ chuẩn độ, mà chuẩn độ riêng axit nghiên cứu (gọi kĩ thuật chuẩn độ riêng) có khả xác định xác HSCB axit không? Trường hợp cần sử dụng kĩ thuật chuẩn độ hỗn hợp? ii) Cơ sở dùng làm để kết luận tính hợp lí kết xác định HSCB? Để trả lời câu hỏi trên, báo tiến hành chuẩn độ dung dịch nghiên cứu axit glutamic (Glu), axit oxalic KHSO4 (là axit có Ka1 Ka tương đối lớn) nghiên cứu có lực axit tương đối lớn (pKa  2) việc thêm axit mạnh vào hệ chuẩn độ Riêng với HSO , để đối chứng kết quả,  tiến hành thêm phép chuẩn độ hỗn 128 hợp, tương tự [1], cải tiến việc xử lí số liệu, cách cần tính V1 theo V2 để pH dung dịch HCl (pHHCl) pH đo dung dịch hỗn hợp (pHhh) CƠ SỞ LÍ THUYẾT Việc thiết lập phương trình tính HSCB axit nghiên cứu thực tương tự [5] Từ điều kiện proton (ĐKP) phép chuẩn độ V0 mL dung dịch đa axit HmA C0 (mol/L) V mL dung dịch KOH C (mol/L), sau biến đổi ta có: (h - Kw V+V0 CV ).φ1 + = h C0 V0 C0 V0 m h m 1.1.K a1  2.h m  2 K a1K a   m.m  K i 1 m m h h m 1 1.K a1  h m 2 m  2 K a1K a   m  K i.H Ai  mi i 1 (1) i 1 Với: Kai HSCB nhiệt động nấc phương trình Davies); đa axit HmA; h = (H+); φ1 , φ , ,φ m cấu tử i α i phân số nồng độ nghịch đảo hệ số hoạt độ ion có điện tích ±1, ±2, , ±m (được tính theo Đặt Q = (h - Kw V+V0 CV ).φ1 + (2), h C0 V0 C0 V0 m h m1.1.K a1  2.h m2 2 K a1K a   m.m  K i 1 m Q = m h h m 1 1.K a1  h m 2 (3) 2 K a1K a   m  K i 1 m  h mQ  h m 1.1.(1  Q).K a1  h m 2.2.(2  Q).K a1.K a2   m (m  Q). K (4) i 1 1,5103.10-3 M (DD3) dung dịch thuốc thử KOH 6,8721.10-3 M Các dung dịch trì lực ion I = 0,50 muối KCl * dung dịch Glu có nồng độ 9,8672.10-4 M (DD1); 1,4801.10-3 M (DD2); 1,9734.10-3 M (DD3); 2,4668.10-3 M (DD4); 2,9602.10-3 M (DD5) dung dịch chuẩn KOH 1,2593.10-2 M Cả dung dịch nghiên cứu dung dịch thuốc thử KOH trì lực ion I = 0,50 muối KCl 3.2 Chuẩn độ điện Các điều kiện thực nghiệm, bước chuẩn độ thực tương tự [5] Mỗi dung dịch chuẩn độ lặp lại lần để lấy giá trị pH trung bình KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ kết chuẩn độ điện 25,00 mL dung dịch KHSO4; 25,00 mL dung dịch HCl; 25,00 mL dung dịch hỗn hợp (HCl + KHSO4) dung dịch KOH C = 3,0966.10-2 M; Như từ số liệu thực nghiệm tính giá trị Q theo (2), sau hồi qui phương trình (4) xác định HSCB Kai tương tự [5] Trường hợp tiến hành theo kĩ thuật chuẩn độ hỗn hợp biểu thức Q = (V2  V1 ).(C  C 01 ) C 02 (V1  V0 ) tương tự [1] THỰC NGHIỆM 3.1 Pha dung dịch: * dung dịch (kí hiệu DD) KHSO4 có nồng độ 3,0956.10-3 M (DD1); 1,2505.10-2 M (DD2); 2,0066.10-2 M (DD3); dung dịch HCl 5,8111.10-3 M; dung dịch hỗn hợp gồm HCl 5,8111.10-3 M KHSO4 3,0809.10-3 M (DDhh) dung dịch chuẩn KOH 3,0966.10-2 M Cả dung dịch thêm KCl để trì lực ion I = 0,10 * dung dịch axit oxalic, nồng độ 1,0026.10-3 M (DD1); 1,2929.10-3 M (DD2); 129 chuẩn độ 20,00 mL dung dịch H2C2O4 dung dịch KOH C = 6,8721.10-3 M chuẩn độ 20,00 mL dung dịch Glu dung dịch KOH C = 1,2593.10-2 M, chúng tơi vẽ đường cong chuẩn độ (hình 1, 2, 3, 4), xác định gần khoảng pH bước nhảy chuẩn độ (BNCĐ), tính thể tích thuốc thử tiêu thụ (VTĐ) điểm tương đương, từ tính tỉ lệ số mol phản ứng KOH axit nghiên cứu ( n KOH : n AXIT ) Kết thu được, tóm tắt bảng Hình 1: Chuẩn độ dung dịch KHSO4 dung dịch KOH Hình 3: Chuẩn độ dung dịch H2C2O4 KOH Hình 2: Chuẩn độ dung dịch HCl dung dịch hỗn hợp dung dịch KOH Hình 4: Chuẩn độ dung dịch Glu KOH Bảng 1: Kết xác định khoảng BNCĐ, tỉ lệ số mol phản ứng KOH axit chuẩn độ Chuẩn độ KHSO4 DD DD1 DD2 DD3 DD4 DD5 BNCĐ VTĐ (mL) 2,50 10,10 16,21 nKOH :nHSO  1:1  1:1  1:1 pH  4,  9, Chuẩn độ hỗn hợp (HCl + Chuẩn độ H2C2O4 KHSO4) VTĐ n VTĐ n KOH :n(HClHSO4 ) KOH :n H2C2O4 (mL) (mL)  1:1  2:1 7,41 5,89  2:1 7,50  2:1 8,72 pH  4,  9, Việc xử lí số liệu thực nghiệm thu pH  5,  9, Chuẩn độ Glu VTĐ (mL) 1,54 2,36 3,13 3,92 4,69 n KOH : n Glu  1:1  1:1  1:1  1:1  1:1 pH  5,  8, phép chuẩn độ thực tương tự 130 chuẩn độ khoảng pH  4,0 [5] Căn vào khoảng pH BNCĐ tỉ lệ số mol phản ứng KOH axit nghiên cứu phép chuẩn độ, chọn khu vực pH phù hợp (là khu vực mà hệ thu hệ đệm) sử dụng phần mềm Excel hàm Linest Excel để xử lí kết giải phương trình hồi qui, từ tính HSCB axit nghiên cứu 4.1 Xác định số cân nấc axit sunfuric Từ hình 1, hình 2, cho thấy: đường cong chuẩn độ phép chuẩn độ dung dịch KHSO4 dung dịch hỗn hợp (HCl + KHSO4) có BNCĐ Vì BNCĐ phép Bảng 2: Kết tính HSCB Kĩ thuật chuẩn độ DD DD1 Kĩ thuật chuẩn độ DD2 riêng DD3 Kĩ thuật chuẩn độ DDhh hỗn hợp  9,5 tỉ lệ số mol chất phản ứng xấp xỉ : (bảng 1), chúng tơi chọn giá trị pH khu vực pH < 4,0 để tính HSCB HSO4 , hệ thu hệ  2 đệm HSO4 + SO4 Kết tính HSCB nấc axit sunfuric theo kĩ thuật chuẩn độ riêng (chỉ chuẩn độ dung dịch KHSO4) kĩ thuật chuẩn độ hỗn hợp (chuẩn độ dung dịch HCl dung dịch hỗn hợp gồm HCl với KHSO4) tóm tắt bảng 2: HSO 4 từ kết chuẩn độ điện theo kĩ thuật khác C K H SO pH (M ) 2,693  3,436 3,0956.10-3 1,2505.10-2 2,160  2,712 2,0066.10-2 2,002  2,863 2,379  2,894 3,0809.10-3 (CHCl = 5,8111.10-3) Giá trị pKa theo [3] 4.2 Xác định số cân axit oxalic Tương tự, từ hình bảng thấy: đường cong chuẩn độ dung dịch axit oxalic có BNCĐ với khoảng pH Giá trị Q pKa 0,8486  0,9659 0,7180  0,8976 0,6424  0,9238 0,8189  0,9845 2,271 ± 0,003 2,079 ± 0,003 2,065 ± 0,003 1,998 ± 0,038 1,99 gồm hệ đệm H2C2O4 + HC O 4 HC2 O 4 + C2 O42 , dự đốn tính đồng thời giá trị pKa axit oxalic từ giá trị pH đo khu vực này, tương tự [1] Chính chúng tơi tiến hành xử lý số liệu thực nghiệm từ giá trị pH đo khu vực pH < 5,0 tương tự [6] Kết tính HSCB axit oxalic từ phép chuẩn độ dung dịch axit có nồng độ khác ghi bảng 3:  5,0  9,5 số mol thuốc thử tiêu thụ ĐTĐ khoảng lần số mol axit nghiên cứu Điều có nghĩa khơng có khả chuẩn độ riêng nấc 1, mà chuẩn độ tổng nấc axit oxalic, tương tự axit malic [6] Như vậy, theo lí thuyết, khu vực pH < 5,0 thành phần hệ thu Bảng 3: Kết tính số số phân li nấc (pKai) axit oxalic theo kĩ thuật chuẩn độ riêng Dung dịch DD1 DD2 DD3 pH Giá trị Q 3,093  4,975 1,1657  1,9388 3,114  4,698 1,1701  1,8906 3,038  4,706 1,1498  1,8922 Giá trị pKai theo [3] Giá trị pKai theo [4] 131 pKa1 0,973 ± 0,193 1,448 ± 0,151 0,848 ± 0,124 1,25 1,271 pKa2 4,267 ± 0,272 4,256 ± 0,209 4,268 ± 0,174 4,27 4,272 < 5,5 pH > 8,5 để xác định HSCB Glu, tương tự [2] Từ giá trị pH đo khu vực pH trên, tiến hành xử lý số liệu thực nghiệm tương tự [5] Kết tính giá trị Kai pKai Glu từ giá trị pH đo phép chuẩn độ dung dịch Glu có nồng độ khác theo kĩ thuật chuẩn độ riêng ghi bảng bảng 4.3 Xác định số cân axit glutamic (Glu) Từ hình nhận thấy: đường cong chuẩn độ dung dịch Glu có BNCĐ với khoảng pH  5,5  8,5 tỉ số mol chất phản ứng ĐTĐ n KOH : n Glu  : (bảng 1) Như chuẩn độ đến ĐTĐ lượng KOH dùng trung hịa nấc Glu, theo qui luật chung, cần phải khảo sát khu vực pH Bảng Kết xác định HSCB Kai axit glutamic khu vực pH < 5,5 pH > 8,5 DD DD1 pH Giá trị Q 3,819  4,789 0,3527  0,7910 9,211  9,811 1,3774  1,8053 3,688  4,777 0,2880  0,7836 DD2 8,898  10,065 1,1823  1,8173 3,604  4,941 0,2485  0,8391 DD3 8,777  10,102 1,1435  1,8568 3,551  5,076 0,2179  0,8736 DD4 8,648  10,111 1,1199  1,8838 3,511  5,212 DD5 0,1950  0,8970 8,638  10,006 1,1034  1,8005 Ka1 (-5,75 ± 0,31).10–3