Dung dịch đệm

Dung dịch đệm (tiếng Anh buffer solution) là dung dịch mà khi cho thêm ion H+ hoặc OH- thì giá trị pH của nó hầu như không thay đổi. Tác dụng của dung dịch đệm dựa trên cơ chế bắt các ion H+ hoặc OH- để tạo thành acid yếu hoặc kiềm yếu.

Để bắt các ion H+ thì thường dùng các muối của acid yếu và kiềm mạnh, ví dụ natri acetat, natri photphat và natri borat. Còn để bắt các ion hydroxid thường dùng các muối của acid mạnh và kiềm yếu, ví dụ: ammonium chlorua. Để bắt các ion H+ và OH- thì sử dụng dung dịch cùng đương lượng mol của một acid yếu và muối alkali của nó, một kiềm yếu và một muối phân ly tốt của nó, hoặc hai muối alkali của một acid nhiều hóa trị.

Ví dụ: nếu nồng độ ion H+ trong dung dịch chứa natri acetat tăng lên khi ta cho acid vào thì ion H+ sẽ kết hợp với ion acetat để tạo thành acid acetic không phân ly cho đến khi hằng số phân ly của acid acetic ở nhiệt độ đó đạt được theo phương trình:

$K_{c}={\frac {\left\lfloor \mathrm {H} ^{+}\right\rfloor -\left\lfloor \mathrm {CH} _{3}\mathrm {COO} ^{-}\right\rfloor }{\left[\mathrm {CH} _{3}\mathrm {COOH} \right]}}$

Vì acid acetic là một acid yếu nên hầu hết ion H+ sẽ được chuyển thành acid acetic không phân ly chừng nào còn đủ lượng ion acetat trong dung dịch.

Hỗn hợp của natrihydrogenphotphat và dinatrihydrogenphotphat duy trì pH khi thêm acid

Hỗn hợp của natrihydrogenphotphat và dinatrihydrogenphotphat duy trì pH khi thêm kiềm

Việc bắt các ion hydroxid cũng xảy ra tương tự. Nếu ta cho vào dung dịch chứa ammonium chlorua một chất kiềm, các ion hydroxid sẽ kết hợp với ion ammonium để tạo thành ammonium hydroxid không phân ly cho đến khi hằng số phân ly của ammonium hydroxid đạt được theo phương trình:

$K_{c}={\frac {\left\lfloor \mathrm {NH} _{4}^{+}\right\rfloor -\left\lfloor \mathrm {OH} ^{-}\right\rfloor }{\left[\mathrm {NH} _{4}\mathrm {OH} \right]}}$

Vì ammonium hydroxid là một base yếu nên hầu hết các ion hydroxid sẽ chuyển thành ammonium hydroxid không phân ly, chừng nào còn đủ lượng ion ammonium trong dung dịch.

Nếu ta cho vào dung dịch natri acetat một đương lượng acid acetic thì dung dịch đệm thu được này có thể bắt cả ion H+ và ion hydroxid. Khi cho một acid vào dung dịch này thì phản ứng sẽ xảy ra như trong trường hợp natri acetat vừa nêu trên. Còn khi cho một lượng base vào thì nồng độ ion H+ sẽ giảm do phản ứng trung hòa giữa ion H+ và ion acetat tạo thành acid acetic không phân ly cho đến khi hằng số phân ly ban đầu của acid acetic trong dung dịch này đạt được.

Dung dịch đương lượng mol của ammonium hydroxid và ammonium chlorua cũng phản ứng tương tự như vậy khi cho thêm acid hoặc base vào. Hỗn hợp của natrihydrogenphotphat và dinatrihydrogenphotphat cũng phản ứng tương tự. Trong hỗn hợp này khi nồng độ ion H+ tăng do thêm acid thì ion H+ sẽ kết hợp với ion hydrogenphotphat để tạo thành dihydrogenphotphat không phân ly cho đến khi hằng số phân ly của dihydrogenphotphat theo phương trình:

$K_{c}={\frac {\left\lfloor \mathrm {H} ^{+}\right\rfloor -\left\lfloor \mathrm {HPO} _{4}^{2-}\right\rfloor }{\left\lfloor \mathrm {H} _{2}\mathrm {PO} _{4}^{-}\right\rfloor }}$

được thiết lập trở lại. Nếu ngược lại, khi cho kiềm vào thì nồng độ ion H+ sẽ mất đi thông qua phản ứng trung hòa, ion dihydrogenphotphat sẽ phân ly thành ion hydrogenphotphat và ion H+ cho đến khi giá trị hằng số phân ly ban đầu đạt được.

Người ta sử dụng dung dịch đệm khi một phản ứng cần được thực hiện với một khoảng giá trị pH nhất định và độ pH này không được thay đổi nhiều nếu trong khi phản ứng một acid (hoặc base) được giải phóng. Ví dụ acid chlorhydric (HCl) trong phản ứng kết tủa bariumchromat với kalidichromat từ dung dịch bariumchlorua:

K₂Cr₂O₇ + 2BaCl₂ + H₂O → 2BaCrO₄ + 2KCl + 2HCl

Nếu không có dung dịch đệm thì việc điều chỉnh độ pH gần mức trung tính là rất khó, vì ngay cả carbondioxid trong không khí hoặc chất kiềm trong thủy tinh của bình phản ứng cũng có ảnh hưởng mạnh đến độ pH.

Mức độ tác dụng của một dung dịch đệm phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý và nồng độ của chất đệm. Mỗi chất đệm hoạt động trong khoảng pH nhất định. Dung dịch đệm hoạt động trong khoảng pH từ 1,5-11,0 có thể thu được khi trộn bốn dung dịch gốc chứa lượng khác nhau của acid succinic, acid boric, acid oxalic, natri borat, natri carbonat và natri sulfat, theo tỷ lệ nhất định (theo A. Thiel). Dung dịch đệm sinh lý quan trọng nhất là máu với pH = 7,35 ở người tại 37°C. Việc tăng tính acid của máu thông qua acid carbonic khi thở hoặc acid lactic xuất hiện do hoạt động cơ bắp sẽ được các chất đệm có trong máu như natrihydrogencarbonat, natrihydrogenphotphat và hemoglobin ngăn cản.

Tài liệu tham khảo

1. Brockhaus ABC Chemie, VEB F.A. Brockhaus Verlag Leipzig 1966, 1142.