Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
buffer
Còn gọi: đệm · dung dịch buffer
Dung dịch đệm là hỗn hợp chứa một axit yếu và bazơ liên hợp của nó, có khả năng chống lại sự thay đổi pH khi thêm axit hoặc bazơ mạnh.
Dung dịch đệm (buffer) là một hệ dung dịch đặc biệt gồm một axit yếu và bazơ liên hợp của nó, hoặc một bazơ yếu (weak base) và axit liên hợp của nó, tồn tại đồng thời với nồng độ đáng kể. Chính sự hiện diện song song của cả hai thành phần này tạo nên khả năng đặc trưng của đệm: trung hòa cả ion lẫn ion khi chúng được đưa vào dung dịch. Nhờ đó, pH của dung dịch hầu như không đổi khi thêm một lượng nhỏ axit mạnh (strong acid) hoặc bazơ mạnh (strong base).
Vì vậy, để hiểu rõ khả năng này, ta xét cơ chế hoạt động của đệm qua phương trình Henderson–Hasselbalch:
Trong biểu thức này, là nồng độ axit yếu và là nồng độ bazơ liên hợp. Khi thêm vào dung dịch, bazơ liên hợp sẽ phản ứng với chúng để tạo thành ; ngược lại, khi thêm , axit sẽ trung hòa chúng thành và nước. Do tỉ số chỉ thay đổi rất ít sau mỗi lần thêm, nên pH cũng giữ gần như không đổi. Tuy nhiên, khi lượng axit hoặc bazơ thêm vào vượt quá khả năng trung hòa của một trong hai thành phần, đệm sẽ mất tác dụng.
Ngoài ra, liên quan đến khả năng trung hòa này, dung tích đệm (buffer capacity) là thước đo lượng axit hoặc bazơ mà hệ có thể tiếp nhận trước khi pH biến thiên đáng kể. Dung tích này phụ thuộc vào tổng nồng độ của hai thành phần đệm: nồng độ càng cao thì dung tích càng lớn. Hơn nữa, đệm hoạt động hiệu quả nhất khi , tức là khi , vì khi đó cả hai thành phần đều sẵn sàng với lượng ngang nhau để đối phó với tác nhân thêm vào. Vùng pH hữu hiệu của đệm thường nằm trong khoảng .
Trực giác: Dung dịch đệm giống như tấm khiên hai mặt: mặt axit yếu trung hòa đòn tấn công bazơ, mặt bazơ liên hợp trung hòa đòn tấn công axit, triệt tiêu cả hai chiều xung lực để giữ thành trì (pH) nguyên vẹn.
Dùng để tính pH của dung dịch đệm chứa axit yếu và bazơ liên hợp, hoặc để tìm tỉ lệ nồng độ cần pha chế nhằm đạt pH mong muốn. Phương trình này hợp lí khi và đều lớn hơn nồng độ tự do — tức vùng đệm hoạt động tốt, thường trong khoảng .
Trong đó
Dung dịch đệm có số mol axit và bazơ bằng nhau không cho pH bằng 7.
Khi thì tỉ số bằng 1 và , nên chứ không phải 7. Với HF () kết quả là 3.47 hoặc 3.17 tùy tỉ số, tức là dung dịch vẫn có tính axit rõ rệt. Con số 7 chỉ đúng cho nước tinh khiết hoặc muối của axit mạnh với bazơ mạnh ở 25 °C; dung dịch đệm bị neo quanh giá trị của cặp axit–bazơ tạo nên nó. Vì vậy, thấy "số mol bằng nhau" thì phản xạ đúng là viết , không phải khoanh ngay đáp án trung tính.
Không được cắm thẳng vào phương trình Henderson–Hasselbalch (Henderson–Hasselbalch equation).
Khi đề cho với , tức , phải đổi sang giá trị của axit liên hợp (conjugate acid) bằng rồi mới thay vào. Đáp án 4.74 xuất hiện trong mọi đề dạng này chính là bẫy dành cho người bỏ qua bước đổi. Một cách kiểm tra nhanh: dung dịch đệm dựng từ bazơ yếu phải có pH lớn hơn 7, nên kết quả 4.74 tự nó đã vô lý.
Tỉ số trong số hạng log là bazơ chia axit, không phải ngược lại.
Công thức đúng là ; đảo thành sẽ đổi dấu số hạng log và kéo pH lệch sang phía sai. Với mol và mol HF, đáp án đúng là , còn 2.87 là kết quả của việc lật ngược tỉ số. Do đó hãy tự nhắc một quy tắc dấu: nhiều bazơ liên hợp hơn thì pH phải nằm TRÊN , nhiều axit hơn thì nằm DƯỚI.
Pha loãng dung dịch đệm không làm pH tiến về 7.
Vì chỉ có tỉ số nồng độ đi vào số hạng log, thêm nước làm cả tử và mẫu giảm cùng một hệ số nên tỉ số giữ nguyên và pH gần như không đổi. Đây cũng là lý do đề cho hai cốc, một đậm một loãng, mà cùng tỉ số thì cùng pH; và cũng là lý do bạn được phép thay nồng độ bằng số mol khi hai chất nằm trong cùng một dung dịch. Tuy nhiên, cái thay đổi là năng lực đệm (buffer capacity): dung dịch loãng chống lại lượng axit hay bazơ thêm vào kém hơn hẳn, nên đừng lẫn "pH không đổi" với "đệm mạnh như nhau".
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Viết phương trình Henderson–Hasselbalch ra giấy trước khi bấm máy tính.
Ghi rõ chất nào là axit, chất nào là bazơ liên hợp ngay bên cạnh số mol tương ứng, rồi mới thay vào; thao tác này chặn đứng hai lỗi mất điểm phổ biến nhất là đảo tỉ số và dùng nhầm . Trong phần trả lời tự luận, giám khảo cần thấy công thức, con số thay vào và kết quả — chỉ ghi mỗi đáp số thường không được trọn điểm.
Ước lượng dấu của số hạng log trước, rồi mới tính chính xác.
Chỉ cần so hai số mol là biết pH nằm trên hay dưới : bazơ nhiều hơn thì cộng, axit nhiều hơn thì trừ, bằng nhau thì . Nhờ đó, khi máy tính hoặc thao tác nhập liệu sai, bạn vẫn phát hiện được ngay vì đáp án rơi sai phía. Đây là cách nhanh nhất để loại các phương án nhiễu trong phần trắc nghiệm.
Cộng của tỉ số, đừng cộng thẳng tỉ số vào .
Nếu và thì , không phải . Tương tự, không có phép nhân đôi hay chia đôi nào trong công thức này; mọi đáp án dạng hay đều là phương án nhiễu. Ngoài ra, đề thường không cho thể tích — đó là gợi ý cố ý rằng bạn chỉ cần tỉ số mol, không phải thiếu dữ kiện.
Dung dịch đệm HF/ ban đầu có . Sau khi thêm HCl, pH chỉ giảm xuống , tức thay đổi đơn vị, trong khi cùng lượng axit đó sẽ kéo nước tinh khiết từ xuống . Lý do là axit mạnh không tồn tại tự do mà bị chuyển thành HF, nên chỉ có tỉ số thay đổi nhẹ, và vì tỉ số này nằm dưới dấu nên ảnh hưởng lên pH càng bị nén nhỏ lại.
Dung dịch đệm / với số mol bằng nhau có , và sau khi thêm NaOH thì pH chỉ tăng lên . Điểm mấu chốt cần trình bày trong bài thi là: bazơ mạnh không làm tăng tự do mà bị chuyển thành , nên chỉ tỉ số hai dạng liên hợp thay đổi. Ngược lại, nếu học sinh dùng hết (chẳng hạn thêm quá NaOH) thì hệ không còn là dung dịch đệm nữa và pH sẽ nhảy vọt.