®Þnh l−îng b»ng ph−¬ng ph¸p acid - base
môc tiªu
1. Tr×nh bµy ®−îc kh¸i niÖm vÒ acid, base, cÆp acid base liªn hîp, chÊt l−ìng tÝnh,
®a acid, ®a base theo Bronsted vµ tÝnh ®−îc pH cña c¸c dung dÞch nµy trong
tr−êng hîp riªng lÎ.
2. Tr×nh bµy ®−îc nguyªn t¾c chung cña ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng acid-base.
3. Chän ®−îc chÊt chØ thÞ, tÝnh ®−îc kÕt qu¶ cña s¸u tr−êng hîp ®Þnh l−îng
th−êng gÆp trong chuÈn ®é acid-base.
1. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n
1.1. §Þnh nghÜa acid, base theo Bronsted
Cã nhiÒu quan niÖm vÒ acid, base nh−ng ë ®©y chóng ta dïng theo
quan ®iÓm cña Bronsted:
−
Acid lµ nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng cho prroton.
−
Base lµ nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng nhËn proton.
−
CÆp acid-base liªn hîp: mét acid sau khi cho mét proton th× trë thµnh
mét base gäi lµ base liªn hîp víi acid ®ã. Ta gäi acid vµ base nµy lµ
mét cÆp acid-base liªn hîp (viÕt lµ cÆp acid/base). Mét cÆp acid-base
liªn hîp cã thÓ ®−îc biÓu diÔn b»ng hÖ thøc sau:
Acid (A) Base (B) + H
+
VÝ dô: CÆp HF/F
-
: : HF F
−
+ H
+
CÆp CH
3
COOH/CH
3
COO
-
:CH
3
COOH CH
3
COO
−
+ H
+
CÆp NH
4+
/ NH
3
: NH
4+
NH
3
+ H
+
CÆp H
2
S/ HS
−
:H
2
S HS
−
+ H
+
CÆp HS
−
/ S
−
:HS
−
S
−
+ H
+
170
Nh− vËy acid, base cã thÓ lµ nh÷ng ph©n tö trung hßa ®iÖn
(CH3COOH, HF...), ion (NH4+, HS−...). ChÊt l−ìng tÝnh lµ chÊt võa cã c¶
kh¶ n¨ng cho vµ võa cã kh¶ n¨ng nhËn proton (HS−...).
−
Acid ®a hãa trÞ (®a acid) lµ nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng cho nhiÒu proton
(vÝ dô H2S).
−
Base ®a hãa trÞ (®a base) lµ nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng nhËn nhiÒu
proton (vÝ dô CO32-, S2-).
1.2. N−íc vµ pH
Xem môc 2.2., Bµi 1, PhÇn 1. Lý thuyÕt ph©n tÝch ®Þnh tÝnh.
1.3. C−êng ®é cña acid vµ base
−
Dung dÞch trong n−íc cña acid A cã:
A + H2O
B + H3O+
H»ng sè
[]
[
]
[][ ]
OHA
OHB
K
2
3
.
.+
= t
[]
[
]
[
]
[]
A
OH.B
OHK.K 3
2A
+
==
®−îc gäi lµ h»ng sè acid cña acid A, nã biÓu thÞ cho c−êng ®é cña acid
A v× KA cµng lín, acid ph©n ly cµng nhiÒu, acid ®ã cµng m¹nh.
−
Dung dÞch trong n−íc cña base B ta cã:
B + H2O
A + OH−
H»ng sè
[]
[
]
[][ ]
OHB OHA
K
2
.
.−
= t
[]
[
]
[
]
[]
B
OHA
OHKK 2B
−
== .
. ®−îc gäi lµ h»ng sè
base cña base B, nã biÓu thÞ cho c−êng ®é cña base B v× KB cµng lín, base
ph©n ly cµng nhiÒu, base ®ã cµng m¹nh.
−
NÕu A vµ B lµ cÆp acid-base liªn hîp th× ta cã:
KA.KB = [H3O+][OH−] = Kn =10−14.
Do ®ã, nÕu KA lín th× KB bÐ. V× vËy trong mét cÆp acid-base liªn hîp
nÕu d¹ng acid lµ m¹nh th× d¹ng base sÏ yÕu vµ ng−îc l¹i.
−
§Ó thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n, ng−êi ta th−êng dïng c¸ch biÓu thÞ:
pKA = −lgKA , pKB = −lgKB. Khi ®ã: pKA+ pKB = 14.
1.4. §a acid, ®a base
§a acid lµ nh÷ng acid cã thÓ cho nhiÒu proton. Trong n−íc, ph©n tö
cña c¸c ®a acid ph©n ly lÇn l−ît theo nhiÒu nÊc vµ trong mçi nÊc cho mét
proton, øng víi mét cÆp acid-base liªn hîp.
171
VÝ dô: H3PO4 lµ mét ®a acid.
H3PO4 + H2O
H2PO4−+ H3O+cã KA1 (øng víi cÆp H3PO4/ H2PO4−)
H2PO4− + H2O
HPO42−+ H3O+cã KA2 (øng víi cÆp H2PO4−/ HPO42−)
HPO42− + H2O
PO43− + H3O+cã KA3 (øng cÆp HPO42−/ PO43−)
Tæng céng:
H3PO4 + 3H2O
PO43− + 3H3O+ víi KA = KA1 . KA2 . KA3
T−¬ng tù nh− vËy, ®a base lµ nh÷ng base cã thÓ nhËn nhiÒu proton.
ThÝ dô: CO32- lµ mét ®a base.
CO32− + H3O+
HCO3- + H2O
HCO3-+ H3O+
H2CO3 + H2O
1.5. C«ng thøc tÝnh [H+] vµ pH cña mét sè dung dÞch
ThiÕt lËp ph−¬ng tr×nh ®Çy ®ñ tÝnh chÝnh x¸c nång ®é H3O+ (hay H+)
vµ pH trong c¸c dung dÞch sÏ ®−îc nghiªn cøu ë c¸c ch−¬ng tr×nh n©ng cao,
ë ®©y chóng ta chØ ®−a ra c¸ch tÝnh gÇn ®óng ¸p dông cho nh÷ng tr−êng
hîp dung dÞch cã nång ®é kh«ng qu¸ nhá, víi sai sè thùc tÕ ®a phÇn chÊp
nhËn ®−îc.
1.5.1. Dung dÞch acid m¹nh ®¬n chøc HA nång ®é ban ®Çu CA
Acid m¹nh ph©n ly hoµn toµn:
HA + H2O → H3O+ + A− (th−êng viÕt HA → H+ + A-)
Do ®ã [H3O+] = [H+] = CA
pH = −lgCA
1.5.2. Dung dÞch base m¹nh ®¬n chøc MOH cã nång ®é CB
Base m¹nh ph©n ly hoµn toµn:
2H
2O H3O+ + OH−
MOH + H
3O+ → M+ + 2H2O
MOH → M+ + OH-
Do ®ã: [OH-] = CB →
[]
[]
B
14
nC
10
OH
K
H−
−
+==
V× vËy: pH = 14 + lgCB
172
1.5.3. Dung dÞch ®¬n acid yÕu HA cã nång ®é CA
Acid yÕu HA ph©n ly kh«ng hoµn toµn
HA + H
2O A- + H3O+ (viÕt gän HA H+ + A-)
Tõ
[
]
[
]
[]
HAAOH
K3
A
−+
=., coi HA Ýt ph©n ly nªn [HA] ≈ CA
Do ®ã cã [H3O+] = AA CK . vµ pH = AA C
2
1
pK
2
1lg−
1.5.4. Dung dÞch ®¬n base yÕu B cã nång ®é CB
Base yÕu B ph©n ly kh«ng hoµn toµn
B + H
2O A + OH-
Tõ
[]
[
]
[]
B
OHA
KB
−
=., coi gÇn ®óng [B] ≈ CB
Do®ã [OH-] = BB .CK , [H3O+] =
B
nA
C
.KK vµ pH = BA lgC
2
1
pK
2
1
7++
1.5.5. Dung dÞch cÆp acid base liªn hîp HA/A-
Gi¶ sö acid HA cã nång ®é CA, base A- liªn hîp cã nång ®é CB
Cã c©n b»ng: HA + H2O A- + H3O+
Tõ
[
]
[
]
[]
HA
OH.A
K3
B
+−
= t
[
]
B
A
A3 C
C
.KOH =
+vµ pH =
A
B
AC
C
lgpK +
pH dung dÞch nµy thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ khi thªm vµo mét Ýt acid
m¹nh hoÆc base m¹nh v× nÕu t¨ng nång ®é H+, th× A- sÏ kÕt hîp víi H+ t¹o
thµnh HA; ng−îc l¹i nÕu gi¶m nång ®é H+, th× HA sÏ ph©n ly thªm ®Ó sinh
thªm H+. KÕt qu¶ lµ sau khi c©n b»ng thiÕt lËp th× nång ®é cña H+ trong
dung dÞch sÏ thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ. Trong hãa häc gäi nh÷ng dung dÞch
nµy lµ dung dÞch ®Öm, cã t¸c dông gi÷ æn ®Þnh pH cña dung dÞch.
1.5.6. Dung dÞch c¸c chÊt l−ìng tÝnh
§©y lµ nh÷ng chÊt võa cã kh¶ n¨ng cho vµ võa cã kh¶ n¨ng nhËn
proton, vÝ dô nh− NaHS, NaHCO3… trong dung dÞch ph©n ly thµnh c¸c ion
HS-, HCO3-… t−¬ng øng víi c¸c cÆp acid-base liªn hîp H2S/HS-, HS-/S2- vµ
H2CO3/HCO3-, HCO3-/CO32-…
Cã thÓ chøng minh ®−îc c«ng thøc gÇn ®óng:
[
]
21 AA .KKH =
+ (trong
®ã vµ lµ hai gi¸ trÞ K
1
A
K2
A
KA liªn quan ®Õn c©n b»ng cho vµ nhËn proton
cña anion muèi acid) vµ 21 AA pK
2
1
pK
2
1
pH +=
173
1.5.7. Dung dÞch ®a acid hoÆc ®a base
−
Dung dÞch ®a acid cã nång ®é CA: §èi víi nhiÒu acid th−êng nÊc 1
m¹nh h¬n c¸c nÊc sau nhiÒu. Do ®ã cã thÓ tÝnh gÇn ®óng coi nh− ®¬n
acid (tÝnh theo nÊc 1 m¹nh nhÊt) cã nång ®é CA.
−
Dung dÞch ®a base cã nång ®é CB: Sù ph©n ly cña c¸c ®a base x¶y ra
ng−îc víi sù ph©n ly cña c¸c ®a acid.
ThÝ dô: ®a base Na2CO3: Na2CO3 → 2Na+ + CO32-. §a base CO32- tham
gia c©n b»ng:
CO32- + H3O+
HCO3- + H2O t−¬ng øng KA2 cña H2CO3
HCO3- + H3O+
H2CO3 + H2O t−¬ng øng KA1 cña H2CO3
Do vËy, mét c¸ch gÇn ®óng ta chØ tÝnh nh− ®¬n base (theo base 1
m¹nh nhÊt) cã nång ®é CB. Trong thÝ dô trªn tÝnh theo KA2 cña H2CO3.
2. §Þnh l−îng b»ng ph−¬ng ph¸p acid-base
(ChuÈn ®é acid-base)
2.1. Nguyªn t¾c
−
Ph−¬ng ph¸p chuÈn ®é acid-base lµ ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng dùa trªn
nh÷ng ph¶n øng trao ®æi (cho nhËn) proton gi÷a acid vµ base (ph¶n
øng trung hßa):
Acid (1) + Base (2) = Base (1) + Acid (2)
C¸c ph¶n øng dïng trong ph−¬ng ph¸p nµy ph¶i tháa m·n c¸c yªu
cÇu cña ph¶n øng dïng trong ph©n tÝch thÓ tÝch.
−
Trong qu¸ tr×nh chuÈn ®é, pH cña dung dÞch lu«n biÕn ®æi mét c¸ch tõ
tõ nh−ng gÇn ®Õn ®iÓm t−¬ng ®−¬ng (th−êng khi ®Þnh l−îng thiÕu
hoÆc thõa ± 1% hay ± 0,1%) cã sù biÕn ®æi ®ét ngét cña pH (gäi lµ
b−íc nh¶y pH cña qu¸ tr×nh ®Þnh l−îng) vµ ta thu ®−îc mét dung dÞch
cã pH nhÊt ®Þnh ë vïng acid, trung tÝnh hay kiÒm. pH ë ®iÓm t−¬ng
®−¬ng sÏ n»m trong b−íc nh¶y pH nµy .
−
Th−êng khi ®¹t ®Õn ®iÓm t−¬ng ®−¬ng kh«ng cã nh÷ng biÕn ®æi cã thÓ
nhËn biÕt ®−îc cho nªn ng−êi ta ph¶i cho thªm vµo dung dÞch ®Þnh
l−îng nh÷ng chÊt gäi lµ chÊt chØ thÞ acid-base cã mµu s¾c thay ®æi ë
l©n cËn ®iÓm t−¬ng ®−¬ng (n»m trong b−íc nh¶y pH cña qu¸ tr×nh
®Þnh l−îng) ®Ó nhËn ra ®iÓm t−¬ng ®−¬ng vµ ta kÕt thóc qu¸ tr×nh
chuÈn ®é.
174