Máy Tính pH Dung Dịch Đệm - Công Cụ Henderson-Hasselbalch Miễn Phí

Bộ tính pH dung dịch đệm là gì?

Bộ tính pH dung dịch đệm xác định pH của dung dịch đệm từ nồng độ của một axit yếu và bazơ liên hợp của nó. Công cụ này tính pH của dung dịch đệm phosphat, một hỗn hợp gồm dihydrogen phosphat (H₂PO₄⁻) và hydrogen phosphat (HPO₄²⁻), thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm để giữ dung dịch gần pH sinh lý. Công cụ sử dụng phương trình Henderson-Hasselbalch với pKa cố định là 7,21.

Dung dịch đệm là gì?

Dung dịch đệm chống lại sự thay đổi pH khi một lượng nhỏ axit hoặc bazơ được thêm vào. Dung dịch chứa đồng thời một axit yếu và bazơ liên hợp của nó, thường với lượng gần tương đương nhau. Mỗi thành phần có một vai trò. Khi thêm axit, bazơ liên hợp hấp thụ các ion hydro thừa. Khi thêm bazơ, axit yếu giải phóng ion hydro để trung hòa bazơ đó. pH chỉ thay đổi một chút thay vì biến động mạnh.

Dung dịch đệm có vai trò quan trọng vì nhiều quá trình hóa học và sinh học chỉ hoạt động trong một khoảng pH hẹp. Chẳng hạn, máu luôn gần pH 7,4 nhờ các hệ đệm trong cơ thể, trong đó có hệ đệm phosphat được mô tả ở đây.

Dung dịch đệm hoạt động tốt nhất khi lượng axit và bazơ gần bằng nhau. Khoảng có hiệu quả thường là pKa của axit cộng hoặc trừ một đơn vị pH.

Phương trình Henderson-Hasselbalch

Phương trình Henderson-Hasselbalch cho biết pH của dung dịch đệm từ pKa và tỷ số giữa bazơ liên hợp với axit:

$\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$

• pH đo mức độ axit hoặc bazơ của dung dịch.
• pKa là một giá trị cố định đối với mỗi axit, cho biết axit giữ ion hydro mạnh đến mức nào. pKa càng thấp thì axit càng mạnh.
• [A⁻] là nồng độ của bazơ liên hợp, tính bằng mol trên lít (M).
• [HA] là nồng độ của axit yếu, tính bằng mol trên lít (M).

Phương trình này xuất phát từ trạng thái cân bằng của quá trình axit yếu phân ly thành ion hydro và bazơ liên hợp:

$\text{HA} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{A}^-$

Hằng số phân ly axit, Ka, mô tả trạng thái cân bằng này: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Lấy logarit cơ số âm 10 của cả hai vế rồi sắp xếp lại, ta thu được phương trình Henderson-Hasselbalch ở trên.

Bộ tính này sử dụng pKa = 7,21, là giá trị của lần phân ly thứ hai của axit phosphoric (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) tại 25 °C. Giá trị pKa này gần với pH sinh lý, đó là lý do cặp phosphat là một dung dịch đệm tiêu chuẩn trong hóa sinh. pKa được cố định; công cụ không chấp nhận pKa tùy chỉnh cho các axit khác.

Cách tính pH của dung dịch đệm

1. Nhập nồng độ axit, [H₂PO₄⁻], theo đơn vị molar (M).
2. Nhập nồng độ bazơ liên hợp, [HPO₄²⁻], theo đơn vị molar (M).
3. Chọn "Tính pH".
4. Xem pH và mức đánh giá hiệu quả của dung dịch đệm trong kết quả.

Cả hai nồng độ phải là số dương. Nếu một trường bị bỏ trống, bộ tính sẽ yêu cầu nhập cả hai giá trị. Nếu một số bằng không hoặc âm, bộ tính sẽ thông báo rằng các nồng độ phải là số dương.

Đánh giá hiệu quả của dung dịch đệm

Bộ tính cũng báo cáo khả năng duy trì pH của dung dịch đệm, dựa trên khoảng cách giữa pH đã tính và pKa (7,21):

• Xuất sắc: độ chênh lệch không quá 1,0 đơn vị pH.
• Tốt: độ chênh lệch nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,0 đơn vị pH.
• Kém: độ chênh lệch lớn hơn 2,0 đơn vị pH.

Điều này phù hợp với quy tắc chung rằng dung dịch đệm hoạt động tốt nhất trong phạm vi một đơn vị pH so với pKa của nó.

Ví dụ minh họa

Tính pH của dung dịch đệm phosphat được pha từ 0,1 M H₂PO₄⁻ (axit) và 0,2 M HPO₄²⁻ (bazơ liên hợp).

1. pKa = 7,21
2. Tỷ số bazơ trên axit = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

pH của dung dịch đệm là 7,51. Vì giá trị này chỉ cách pKa 0,30 đơn vị, bộ tính đánh giá hiệu quả của dung dịch đệm này là xuất sắc.

Các ví dụ khác

Với hàng thứ hai: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Với hàng thứ ba: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Khả năng đệm

Khả năng đệm (β) đo lượng axit hoặc bazơ mạnh mà dung dịch đệm có thể hấp thụ trước khi pH thay đổi một đơn vị. Giá trị này lớn nhất khi pH bằng pKa và nhỏ hơn khi pH càng lệch xa pKa. Một cách tính là:

$\beta = 2.303 \times C \times \frac{K_a [\text{H}^+]}{(K_a + [\text{H}^+])^2}$

trong đó C là tổng nồng độ của dung dịch đệm ([HA] + [A⁻]), Ka là hằng số phân ly axit, còn [H⁺] là nồng độ ion hydro.

Sử dụng ví dụ đã giải ở trên (axit 0,1 M, bazơ 0,2 M, pH 7,51):

• C = 0,1 + 0,2 = 0,3 M
• $K_a = 10⁻⁷·²¹ \approx 6.17 \times 10⁻⁸$
• $[H^+] = 10⁻⁷·⁵¹ \approx 3.09 \times 10⁻⁸$

β = 2,303 × 0,3 × (6,17 × 10⁻⁸ × 3,09 × 10⁻⁸) / (6,17 × 10⁻⁸ + 3,09 × 10⁻⁸)² ≈ 0,154 mol/(L·pH)

Điều này có nghĩa là khoảng 0,154 mol axit hoặc bazơ mạnh trên mỗi lít sẽ làm pH của dung dịch đệm này thay đổi một đơn vị. Với cùng tổng nồng độ (0,3 M) nhưng pH đúng bằng pKa, khả năng đệm sẽ đạt cực đại ở khoảng 0,173 mol/(L·pH).

Các ứng dụng phổ biến

• Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: duy trì pH ổn định cho các phép thử enzyme và protein.
• Nuôi cấy tế bào: duy trì pH sinh lý, gần 7,4, cho các tế bào sống.
• Bào chế dược phẩm: ổn định dung dịch thuốc và kiểm soát độ tan.
• Dung dịch lâm sàng: điều chỉnh dịch truyền tĩnh mạch và dung dịch lọc máu phù hợp với pH máu.
• Kiểm nghiệm thực phẩm và nước: theo dõi pH trong các mẫu sản xuất và môi trường.

Lịch sử

Bác sĩ kiêm nhà hóa sinh người Mỹ Lawrence Joseph Henderson đã công bố mô tả định lượng đầu tiên về hoạt động của dung dịch đệm trong máu vào 1908. Vào 1916, nhà khoa học Đan Mạch Karl Albert Hasselbalch đã viết lại phương trình của Henderson bằng pH, một ký hiệu được Søren Sørensen giới thiệu vào 1909. Dạng logarit đó là phương trình Henderson-Hasselbalch được sử dụng ngày nay và vẫn là công cụ tiêu chuẩn trong hóa học và hóa sinh hơn một thế kỷ sau.

Các câu hỏi thường gặp

Dung dịch đệm là gì? Một hỗn hợp gồm axit yếu và bazơ liên hợp của nó, có khả năng chống lại sự thay đổi pH khi thêm một lượng nhỏ axit hoặc bazơ.

Bộ tính này sử dụng pKa nào? Bộ tính sử dụng pKa cố định là 7,21, hằng số phân ly thứ hai của axit phosphoric. Bộ tính không chấp nhận pKa tùy chỉnh, nên chỉ mô phỏng cặp đệm phosphat.

Có thể dùng bộ tính này cho các dung dịch đệm khác, chẳng hạn axetat, không? Không trực tiếp. Các axit khác có giá trị pKa khác nhau (pKa của axit axetic khoảng 4,76), còn công cụ này luôn tính với 7,21. Đối với một hệ đệm khác, hãy tự áp dụng phương trình Henderson-Hasselbalch với pKa của axit đó.

Tỷ số axit-bazơ nào tạo ra dung dịch đệm tốt nhất? Tỷ số gần 1:1 tạo ra khả năng chống thay đổi pH lớn nhất, vì khi đó pH bằng pKa.

Khả năng đệm là gì? Đó là lượng axit hoặc bazơ mạnh, tính bằng mol trên lít, cần thiết để làm pH của dung dịch đệm thay đổi một đơn vị. Khả năng đệm cao nhất khi pH bằng pKa.

Nhiệt độ có làm thay đổi pH của dung dịch đệm không? Có. Giá trị pKa thay đổi theo nhiệt độ, và hầu hết các giá trị pKa đã công bố, bao gồm 7,21 của phosphat, áp dụng tại 25 °C.

Tài liệu tham khảo

1. Po, Henry N., và N. M. Senozan. "Phương trình Henderson-Hasselbalch: Lịch sử và những hạn chế." Tạp chí Giáo dục Hóa học, tập 78, số 11, 2001, tr. 1499-1503.
2. Good, Norman E., và cộng sự. "Các dung dịch đệm ion hydro dùng trong nghiên cứu sinh học." Hóa sinh, tập 5, số 2, 1966, tr. 467-477.
3. Beynon, Robert J., và J. S. Easterby. Dung dịch đệm: Những điều cơ bản. Nhà xuất bản Đại học Oxford, 1996.