Nước, Dung dịch đệm và pH part 1

Chia sẻ: Ashdkajd Daksdjk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

336
lượt xem 66
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các thuộc tính hóa học của nước Nước không phải là một thành phần thụ động của tế bào hay của môi trường ngoại bào. Do bản chất vật lý, nước xác định khả năng hòa tan của các hợp chất khác. Tương tự như vậy, trong dung dịch các thuộc tính hóa học của nước quy định cách mà các phân tử tương tác với nhau

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nước, Dung dịch đệm và pH part 1

N−íc, Dung dÞch ®Öm vµ pH I. C¸c thuéc tÝnh hãa häc cña n−íc N−íc kh«ng ph¶i lµ mét thµnh phÇn thô ®éng cña tÕ bµo hay cña m«i tr−êng ngo¹i bµo. Do b¶n chÊt vËt lý, n−íc x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hßa tan cña c¸c hîp chÊt kh¸c. T−¬ng tù nh− vËy, trong dung dÞch c¸c thuéc tÝnh hãa häc cña n−íc quy ®Þnh c¸ch mµ c¸c ph©n tö t−¬ng t¸c víi nhau. I.1. Sù ion hãa n−íc N−íc lµ mét ph©n tö trung tÝnh cã xu h−íng ion hãa nhÑ. Chóng ta biÓu diÔn sù ion hãa nµy b»ng ph−¬ng tr×nh H+ + OH− H2O Trong dung dÞch, thùc tÕ hÇu nh− ch¼ng tån t¹i c¸i gäi lµ proton (H+) tù do. Thay vµo ®ã, proton lu«n ë d¹ng kÕt hîp víi mét ph©n tö n−íc t¹o thµnh ion hydronium (H3O+). Sù kÕt hîp cña proton víi mét nhãm c¸c Proton ph©n tö n−íc còng cã thÓ t¹o nªn nh¶y nh÷ng cÊu tróc cã c«ng thøc lµ H5O2+, H7O3+, v.v... Trong thùc tÕ, ®Ó gi¶n l−îc, chóng ta viÕt tÊt c¶ c¸c d¹ng ion hãa nµy lµ H+. C¸c proton cña hydronium cã thÓ “nh¶y” liªn tôc tõ ph©n tö n−íc nµy sang ph©n tö n−íc kh¸c (H×nh 2-1). V× lý do nµy, cã thÓ thÊy sù linh ®éng cña c¸c ion H+ vµ OH− trong dung dÞch n−íc lµ cao h¬n nhiÒu so víi bÊt cø ion nµo kh¸c (vèn ph¶i v−ît qua mét l−îng n−íc lín). HiÖn H×nh 2-1. Proton nh¶y. “Proton nh¶y” gi¶i thÝch cho hiÖn t−îng “proton nh¶y” còng gióp gi¶i t−îng chiÕm −u thÕ cña ion hydronium (vµ hydroxide) trong thÝch cho viÖc ph¶n øng axit – baz¬ c¸c dung dÞch n−íc thuéc c¸c hÖ thèng sinh häc. lµ nh÷ng ph¶n øng diÔn ra nhanh nhÊt trong m«i tr−êng n−íc. Møc ®é ion hãa (ph©n ly) cña c¸c ph©n tö n−íc ®−îc biÓu diÔn b»ng h»ng sè ph©n ly (K) ®−îc tÝnh b»ng biÓu thøc c©n b»ng ë ®ã nång ®é cña hîp chÊt mÑ (H2O) lµ mÉu sè, cßn nång ®é cña c¸c s¶n phÈm ph©n ly (H+ vµ OH−) lµ tö sè: [H+][OH−] K= [2 – 1] [H2O] Do n−íc chØ ion hãa nhÑ, nªn trong dung dÞch nång ®é n−íc kh«ng ph©n ly - [H2O] - lín h¬n rÊt nhiÒu so víi l−îng ion hãa vµ cã thÓ coi nh− mét h»ng sè; vµ v× vËy cã thÓ gép vµo h»ng sè ph©n ly Kw biÓu diÔn riªng cho sù ion hãa cña n−íc: Kw = [H+][OH−] [2 – 2] -14 o Trong ®ã, Kw cã gi¸ trÞ lµ 10 ë 25 C. 1
n−íc, dung dÞch ®Öm vµ pH §inh §oµn Long N−íc tinh khiÕt cã l−îng H+ vµ OH− b»ng nhau, do ®ã [H+] = [OH−] = ( Kw)1/2= 10-7. Do c¸c nång ®é [H+] vµ [OH−] quan hÖ t−¬ng hç víi nhau qua c«ng thøc [2 – 2], nªn nÕu l−îng [H+] cao h¬n 10-7 M th× l−îng [OH−] ph¶i thÊp h¬n mét c¸ch t−¬ng øng vµ ng−îc l¹i. C¸c dung dÞch cã nång ®é [H+] = 10-7 M th× ®−îc gäi lµ dung dÞch trung tÝnh, nÕu [H+] > 10-7 M th× ®−îc gäi lµ dung dÞch cã tÝnh axit, cßn nÕu [H+] < 10-7 M th× ®−îc gäi lµ dung dÞch cã tÝnh kiÒm (baz¬). PhÇn lín c¸c dÞch sinh lý tÕ bµo lµ trung tÝnh hoÆc gÇn trung tÝnh. Ch¼ng h¹n nh−, m¸u ng−êi chØ cã tÝnh kiÒm nhÑ víi [H+] = 4 x 10-8 M. Do gi¸ trÞ [H+] ®èi víi phÇn lín c¸c dung dÞch n−íc lµ rÊt nhá, nªn khã so s¸nh gi÷a c¸c dung dÞch víi nhau. V× lý do nµy, møc ®é ion hãa cña n−íc trong c¸c dung dÞch th−êng ®−îc biÓu diÔn qua kh¸i niÖm ®é pH do Soren Sorenson ®−a ra vµo n¨m 1909: 1 + pH = -log[H ] = log [2 – 3] [H+] C«ng thøc nµy cho Trung tÝnh thÊy, [H+] cµng thÊp Axit Baz¬ th× pH cµng cao vµ ng−îc l¹i (xem H×nh 2- 2). §é pH cña n−íc tinh khiÕt lµ 7,0; cña ion (M) c¸c dung dÞch cã tÝnh axit lµ 7,0 (xem Bµi N ng tËp mÉu 2-1). L−u ý lµ c¸c dung dÞch kh¸c nhau 1 ®é pH th× t−¬ng øng víi nång ®é [H+] chªnh lÖch nhau 10 lÇn. B¶ng 2 – 3 d−íi ®©y liÖt kª ®é pH cña mét sè dung dÞch phæ biÕn. H×nh 2-2. Mèi quan hÖ gi÷a pH v nång ®é H+ v OH− trong n−íc. Do s n + -14 + ph m là [H ] và [OH−] là h ng s (10 ), nên [H ] và [OH−] quan h ph thu c + v i nhau. Dung d ch có nhi u [H ] hơn là dung d ch axit (pH7). Còn dung d ch có H ] = [OH−] − -7 = 10 M là dung d ch trung tính (pH = 7). Chú ý n ng các ion ư c bi u di n theo hàm logarit. B¶ng 2-3. Gi¸ trÞ pH cña mét sè dung dÞch phæ biÕn II.2. Hãa häc vÒ axit – baz¬ Dung dÞch §é pH ChÝnh c¸c ion [H+] vµ [OH−] cã nguån 1 M NaOH 14 gèc tõ c¸c ph©n tö n−íc lµ c¬ së cho Dung dÞch amoni¾c d©n dông 12 phÇn lín c¸c ph¶n øng hãa sinh c¬ N−íc biÓn 8 b¶n. C¸c ph©n tö sinh häc, bao gåm c¶ protein vµ axit nucleic, ®Òu cã M¸u 7,4 nhiÒu nhãm chøc ho¹t ®éng hoÆc S÷a t−¬i 7 gièng nh− baz¬ hoÆc gièng nh− axit, N−íc bät 6,6 ch¼ng h¹n nh− c¸c nhãm amino (- N−íc cµ chua 4,4 NH2) vµ cacboxyl (-COOH). Nh÷ng DÊm 3 ph©n tö nµy lµm ¶nh h−ëng ®Õn ®é DÞch d¹ dµy 1,5 pH cña m«i tr−êng n−íc ë xung 1M HCl 0 2
quanh; ng−îc l¹i, ®Õn l−ît nã, ®é pH cña m«i tr−êng xung quanh l¹i ¶nh h−ëng ®Õn cÊu tróc (hoÆc cÊu h×nh) vµ kh¶ n¨ng ph¶n øng cña c¸c ph©n tö. V× lý do nµy, c¸c ®Æc ®iÓm hãa häc vÒ axit – baz¬ lµ nÒn t¶ng ®Ó t×m hiÓu vai trß cña nhiÒu ph©n tö sinh häc. Axit lµ chÊt cho proton (H+). Theo ®Þnh nghÜa cña Svante Arrhenius ®−a ra n¨m 1880, axit lµ chÊt cho proton, cßn baz¬ lµ chÊt cho ion hydroxide. §Þnh nghÜa nµy kh¸ h¹n chÕ. VÝ dô, nã kh«ng ®ñ ®Ó gi¶i thÝch cho nhiÒu tr−êng hîp gièng nh− NH3, mÆc dï kh«ng cã nhãm OH, nh−ng vÉn cã tÝnh kiÒm. Theo ®Þnh nghÜa kh¸i qu¸t h¬n ®−îc Johannes Bronsted vµ Thomas Lowry ®−a ra vµo n¨m 1923, th× axit lµ chÊt cho proton (gièng víi ®Þnh nghÜa cña Arrhenius), cßn baz¬ lµ chÊt nhËn proton. Theo ®Þnh nghÜa cña Bronsted vµ Lowry, mét ph¶n øng axit – baz¬ cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau H3O+ + A− HA + H2O Trong ®ã, axit (HA) ph¶n øng víi mét baz¬ (H2O) ®Ó h×nh thµnh nªn mét baz¬ liªn hîp cña axit (A−) vµ mét axit liªn hîp cña baz¬ (H3O+). Theo ®ã, ion acetat (CH3COO−) lµ baz¬ liªn hîp cña axit acetic (CH3COOH), cßn ion amonium (NH4+) sÏ lµ axit liªn hîp cña am«ni¨c (NH3). §Ó gi¶n l−îc, mét ph¶n øng axit – baz¬ th−êng ®−îc viÕt gän l¹i lµ: H + + A− HA trong ®ã, ®· cã sù ¸m chØ viÖc gãp mÆt cña c¸c ph©n tö n−íc. HoÆc, ph¶n øng axit – baz¬ còng cã thÓ ®−îc viÕt ®èi víi mét chÊt B cã tÝnh kiÒm lµ: HB+ H+ + B §é axit cña dung dÞch ®−îc x¸c ®Þnh bëi H»ng sè Ph©n ly. H»ng sè c©n b»ng cña mét ph¶n øng axit – baz¬ ®−îc biÓu diÔn bëi h»ng sè ph©n ly mµ trong ®ã nång ®é cña c¸c chÊt “tham gia ph¶n øng” lµ mÉu sè, trong khi nång ®é cña c¸c “s¶n phÈm” lµ tö sè”: [H3O+]×[A−] K= [2 – 4] [HA]×[H2O] Trong mét dung dÞch n−íc lo·ng, nång ®é n−íc cã thÓ coi lµ mét h»ng sè, xÊp xØ 55,5M (1000 g×L-1 / 18,015 g×mol-1 = 55,5M). V× vËy, [H2O] ®−îc gép víi h»ng sè K thµnh h»ng sè Ka vµ ®−îc tÝnh lµ: [H+]×[A−] Ka = K[H2O] = [2 – 5] [HA] §Ó cho ng¾n gän, chØ sè a cña Ka th−êng kh«ng ®−îc viÕt. H»ng sè ph©n ly cña c¸c axit phæ biÕn ®−îc nªu trªn B¶ng 2-4. Còng gièng nh− gi¸ trÞ [H+], gi¸ trÞ h»ng sè ph©n ly K cña c¸c dung dÞch th−êng rÊt nhá vµ khã so s¸nh; v× vËy, ng−êi ta th−êng biÓu diÔn h»ng sè ph©n ly qua gi¸ trÞ pK: pK = -logK [2 – 6] C¸c axit ®−îc ph©n lo¹i theo ®é axit cña chóng, nghÜa lµ kh¶ n¨ng chuyÓn H+ cña chóng cho c¸c ph©n tö n−íc. C¸c axit ®−îc liÖt kª trªn B¶ng 2-4 ®−îc gäi lµ c¸c axit yÕu bëi v× chóng chØ bÞ ion hãa mét phÇn trong c¸c dung dÞch n−íc (K < 1). NhiÒu lo¹i axit kh¸c, ®−îc gäi lµ c¸c axit kho¸ng, nh− HClO4 hay HNO3 vµ HCl, lµ c¸c axit m¹nh (v× K>>1). Do c¸c axit m¹nh hÇu nh− ngay lËp tøc chuyÓn c¸c proton cña chóng cho c¸c ph©n tö n−íc. V× vËy, axit m¹nh nhÊt cã thÓ tån t¹i æn ®Þnh trong c¸c dung dÞch n−íc chÝnh lµ H3O+. T−¬ng tù nh− vËy, kh«ng cã baz¬ nµo trong c¸c dung dÞch n−íc m¹nh h¬n OH−. Trong thùc tÕ, tÊt c¶ c¸c ph¶n øng axit – baz¬ trong c¸c hÖ thèng sinh häc ®Òu liªn quan ®Õn H3O+ (cïng OH−) vµ c¸c axit yÕu (cïng c¸c baz¬ liªn hîp cña chóng). 3
n−íc, dung dÞch ®Öm vµ pH §inh §oµn Long §é pH cña dung dÞch ®−îc x¸c ®Þnh b»ng nång ®é t−¬ng ®èi cña c¸c axit vµ baz¬. Mèi quan hÖ gi÷a ®é pH cña mét dung dÞch vµ nång ®é cña mét axit vµ baz¬ liªn hîp víi nã cã thÓ dÔ dµng suy ra tõ ph−¬ng tr×nh [2 – 5]: [HA] + [H ] = K [2 – 7] [A−] Thay ph−¬ng tr×nh [2 – 7] vµo ph−¬ng tr×nh [2 – 3], ta cã: [A−] pH = - log K + log [2 – 8] [HA] Thay – log K = pK (ph−¬ng tr×nh [2 – 6]), ta cã: [A−] pH = pK + log [2 – 9] [HA] Ph−¬ng tr×nh nµy ®−îc gäi lµ ph−¬ng tr×nh Henderson-Hasselbalch. Khi nång ®é mole cña mét axit (HA) vµ baz¬ liªn hîp víi nã (A−) b»ng nhau, th× log ([A−]/[HA]) = log 1 = 0 vµ ®é pH cña dung dÞch cã gi¸ trÞ ®óng b»ng pK cña axit ®ã. C«ng thøc Henderson-Hasselbalch cùc kú hiÖu qu¶ ®Ó x¸c ®Þnh ®é pH cña c¸c dung dÞch chøa hµm l−îng ®· biÕt cña mét axit yÕu (cïng baz¬ liªn hîp víi nã; xem Bµi tËp mÉu 2 - 2). Tuy vËy, do c«ng thøc nµy kh«ng tÝnh ®Õn sù ion hãa cña b¶n th©n c¸c ph©n tö n−íc, nªn nã kh«ng hiÖu qu¶ (kh«ng dïng) ®Ó tÝnh ®é pH cña c¸c dung dÞch chøa c¸c axit vµ baz¬ m¹nh. VÝ dô, trong dung dÞch 1M cña mét axit m¹nh, nång ®é [H+] = 1M vµ pH=0. Cßn trong dung dÞch 1M cña mét baz¬ m¹nh, [OH−] = 1 M, v× vËy [H+] = [OH−] / Kw = 1/10-14, tøc lµ pH = 14. B¶ng 2-4. H»ng sè ph©n ly v gi¸ trÞ pK ë 25oC cña mét sè axit Axit K pK Axit oxalic 1,27 (pK1) 5,37 × 10−2 H3PO4 2,15 (pK1) 7,08 × 10−3 Axit formic 3,75 1,78 × 10−4 Axit succinic 4,21 (pK1) 6,17 × 10−5 4,27 (pK2) 5,37 × 10−5 Oxalate− Axit axetic 4,76 1,74 × 10−5 5,64 (pK2) 2,29 × 10−6 Succinate− Axit 2-(N-morpholino)ethanesulfonic (MES) 6,09 8,13 × 10−7 H2CO3 6,35 4,47 × 10−7 Axit piperazine-N,N’-bis-2-ethanesulfonic (PIPES) 6,76 1,74 × 10−7 6,82 (pK2) 1,51 × 10−7 H2PO4− Axit 3-N(-morpholino)propanesulfonic (MOPS) 7,15 7,08 × 10−8 N-2-hydroxypiperazine- N’-2- ethanesulfonic (HEPES) 7,47 3,39 × 10−8 Tris(hydroxymethyl)aminomethane (TRIS) 8,08 8,32 × 10−9 NH4+ 9,25 5,62 × 10−10 Glycine (nhãm amino) 9,78 1,66 × 10−10 10,33 (pK2) 4,68 × 10−11 HCO3− Piperidine 11,12 7,58 × 10−12 12,38 (pK3) HPO42− 4,17 × 10−13 4
II.3. C¸c dung dÞch ®Öm Khi chóng ta bæ sung 1 giät (thÓ tÝch kho¶ng 0,01 mL) cña dung dÞch HCl 1M vµo 1 lÝt n−íc tinh khiÕt, ®é pH chuyÓn tõ 7 xuèng 5, tøc lµ nång ®é [H+] t¨ng lªn 100 lÇn. C¸c hÖ thèng sinh häc th−êng kh«ng ®iÒu tiÕt ®−îc víi sù thay ®æi ®é pH lín nh− vËy, bëi v× ngay c¶ khi ®é pH chØ thay ®æi nhá th× nhiÒu ph©n tö sinh häc ®· bÞ biÕn ®æi ®¸ng kÓ vÒ cÊu tróc vµ chøc n¨ng. V× vËy, viÖc duy tr× mét ®é pH t−¬ng ®èi æn ®Þnh cã vai trß quan träng sèng cßn ®èi víi nhiÒu hÖ thèng sèng. §Ó t×m hiÓu c¸c hÖ thèng sèng b»ng c¸c nµo cã thÓ thùc hiÖn ®−îc ®iÒu nµy, h·y so s¸nh kh¶ n¨ng “®iÒu tiÕt” ion hãa cña mét axit yÕu víi mét baz¬ m¹nh. H×nh 2-3 biÓu diÔn c¸ch mµ gi¸ trÞ pH cña c¸c dung dÞch axit axetic, H2PO4− vµ ion ammonium (NH4+) biÕn ®æi khi OH− ®−îc bæ sung thªm vµo dung dÞch. §−êng cong chuÈn ®é trªn h×nh cã thÓ thu ®−îc b»ng ghi chÐp c¸c s« liÖu thùc nghiÖm hoÆc suy ra tõ c«ng thøc Henderson-Hasselbalch (xem Bµi tËp mÉu 2-3). Khi OH− ph¶n øng víi HA, s¶n phÈm cña nã lµ A− vµ n−íc: HA + OH− A− + H2O Mét sè l−u ý vÒ c¸c ®−êng cong chuÈn ®é trªn H×nh 2-3 bao gåm: 1) C¸c ®−êng cong nµy i m gi a rÊt gièng nhau vÒ d¹ng (pH = pK) i mb t u nh−ng dÞch chuyÓn cao i m k t thúc [HA] = [A−] thÊp däc theo trôc gi¸ trÞ pH. 2) Gi¸ trÞ pH t¹i trung ®iÓm (®iÓm gi÷a) cña ®−êng cong chuÈn ®é chÝnh lµ gi¸ trÞ pK cña axit t−¬ng øng; t¹i ®iÓm nµy [HA] = [A−] 3) GÇn gi¸ trÞ pK, ®é dèc cña ®−êng cong thÊp h¬n nhiÒu so víi ë hai bªn d×a. §iÒu nµy cã nghÜa lµ khi gi¸ trÞ [HA] ≈ [A−] th× ®é pH cña dung dÞch t−¬ng ®èi Ýt bÞ ¶nh h−ëng bëi viÖc bæ sung c¸c axit hoÆc baz¬ m¹nh. Mét dung dÞch nh− vËy th−êng ®−îc gäi lµ dung dÞch ®Öm axit-baz¬; nã cã xu h−íng kh¸ng l¹i sù thay ®æi pH do l−îng [H+] vµ [OH−] ®−îc bæ sung vµo sÏ t−¬ng øng ph¶n øng víi A− vµ HA mµ kh«ng lµm thay ®æi N ng ion phân ly / phân t ®¸ng kÓ gi¸ trÞ H×nh 2-3. ư ng cong chu n c a axit axetic, phosphate và amôniăc. log([A−]/ HA]). 5