Hỗn hợp gồm axit axetic (CH3COOH, Ka = 1,8×10^-5) và natri axetat tạo thành đệm. Tính pH của dung dịch đệm có [CH3COOH] = 0,10 M và [CH3COO^-] = 0,050 M. Sau đó, tính pH khi thêm 0,010 mol HCl vào 1,00...

I. Tính pH Ban Đầu của Dung dịch ĐệmDung dịch đệm (dung dịch buffer) này bao gồm một axit yếu ($\text{CH}_3\text{COOH}$) và bazơ liên hợp của nó ($\text{CH}_3\text{COO}^-$ từ $\text{NaCH}_3\text{COO}$).Ta sử dụng Phương trình Henderson-Hasselbalch để tính pH của dung dịch đệm:$\text{pH} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[\text{Bazơ liên hợp}]}{[\text{Axit yếu}]} \right)$Tính $\text{p}K_a$:$K_a (\text{CH}_3\text{COOH}) = 1,8 \times 10^{-5}$$\text{p}K_a = -\log(K_a) = -\log(1,8 \times 10^{-5})$$\text{p}K_a \approx 4,74$Áp dụng công thức:$[\text{CH}_3\text{COOH}] = 0,10 \text{ M}$$[\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,050 \text{ M}$$\text{pH}_{\text{đệm ban đầu}} = 4,74 + \log \left( \frac{0,050}{0,10} \right)$$\text{pH}_{\text{đệm ban đầu}} = 4,74 + \log (0,5)$$\text{pH}_{\text{đệm ban đầu}} = 4,74 + (-0,30)$$\mathbf{\text{pH}_{\text{đệm ban đầu}} \approx 4,44}$II. Tính pH Sau Khi Thêm Acid Mạnh ($\text{HCl}$)Khi thêm $\text{HCl}$ (một axit mạnh) vào dung dịch đệm, ion $\text{H}^+$ sẽ phản ứng với bazơ liên hợp ($\text{CH}_3\text{COO}^-$) để tạo thành axit yếu ($\text{CH}_3\text{COOH}$), qua đó hạn chế sự thay đổi pH.$\text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$1. Xác định số mol ban đầu và số mol $\text{HCl}$ thêm vàoThể tích dung dịch đệm là $1,00 \text{ L}$.$n_{\text{axit}} (\text{CH}_3\text{COOH})_{\text{bđ}} = 0,10 \text{ M} \times 1,00 \text{ L} = 0,10 \text{ mol}< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">nbazơ(CH3COO-)bđ=0,050 M×1,00 L=0,050 mol< annotation encoding="LaTeX">n_{\text{bazơ}} (\text{CH}_3\text{COO}^-)_{\text{bđ}} = 0,050 \text{ M} \times 1,00 \text{ L} = 0,050 \text{ mol}n_{\text{HCl}} (\text{H}^+)_{\text{thêm vào}} = 0,010 \text{ mol}$2. Tính số mol sau phản ứngThành phầnBan đầu (mol)Phản ứng (mol)Sau phản ứng (mol)$\text{H}^+< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">0,010< annotation encoding="LaTeX">0,010-0,010< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">0< annotation encoding="LaTeX">0\text{CH}_3\text{COO}^-< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">0,050< annotation encoding="LaTeX">0,050-0,010< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">0,040< annotation encoding="LaTeX">0,040\text{CH}_3\text{COOH}< math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">0,10< annotation encoding="LaTeX">0,10+0,010$0,11$3. Tính pH mớiSau phản ứng, dung dịch đệm có nồng độ mới (do thể tích vẫn là $1,00 \text{ L}$ nên nồng độ bằng số mol):$[\text{CH}_3\text{COO}^-]_{\text{mới}} = 0,040 \text{ M}$[\text{CH}_3\text{COOH}]_{\text{mới}} = 0,11 \text{ M}$Áp dụng lại phương trình Henderson-Hasselbalch:$\text{pH}_{\text{mới}} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-]_{\text{mới}}}{[\text{CH}_3\text{COOH}]_{\text{mới}}} \right)$$\text{pH}_{\text{mới}} = 4,74 + \log \left( \frac{0,040}{0,11} \right)$$\text{pH}_{\text{mới}} = 4,74 + \log (0,3636)$$\text{pH}_{\text{mới}} = 4,74 + (-0,44)$$\mathbf{\text{pH}_{\text{mới}} \approx 4,30}$So sánh: pH chỉ thay đổi từ $4,44$ xuống $4,30$ ($\Delta\text{pH} = 0,14$).III. Giải thích Vai trò và Phạm vi Đệm1. Giải thích Khả năng Giữ pH 🛡️Dung dịch đệm có khả năng chống lại sự thay đổi pH khi thêm một lượng nhỏ axit mạnh hoặc bazơ mạnh vì nó chứa hai thành phần có thể trung hòa $\text{H}^+$ hoặc $\text{OH}^-$ thêm vào:Khi thêm Axit mạnh ($\text{H}^+$): Ion $\text{H}^+$ được trung hòa bởi bazơ liên hợp ($\text{CH}_3\text{COO}^-$):$\text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$Ion $\text{H}^+$ mạnh được thay thế bằng $\text{CH}_3\text{COOH}$ là một axit yếu, sự thay đổi nồng độ $\text{H}^+$ là không đáng kể.Khi thêm Bazơ mạnh ($\text{OH}^-$): Ion $\text{OH}^-$ được trung hòa bởi axit yếu ($\text{CH}_3\text{COOH}$):$\text{OH}^- + \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$Ion $\text{OH}^-$ mạnh được thay thế bằng $\text{CH}_3\text{COO}^-$ là một bazơ liên hợp yếu, pH tăng lên rất ít.2. Phạm vi pH Hiệu quả (pH Range)Dung dịch đệm hoạt động hiệu quả nhất khi nồng độ của axit yếu và bazơ liên hợp gần bằng nhau. Theo quy tắc chung:$\text{Phạm vi đệm hiệu quả} \approx \text{p}K_a \pm 1$$\text{p}K_a$ của axit axetic là $4,74$.Phạm vi đệm hiệu quả của hệ axetat là:$4,74 - 1 \text{ đến } 4,74 + 1$$\mathbf{\text{pH từ } 3,74 \text{ đến } 5,74}$Khi pH của dung dịch nằm trong khoảng này, dung dịch sẽ có khả năng đệm tốt.