Bài 3: pH của dung dịch - chuẩn độ acid và base

I. pH của dung dịch, chất chỉ thị

1. pH của dung dịch

- Nước điện li tạo ra đồng thời cả H⁺ và OH^-

H₂O \(\rightleftharpoons\) H⁺ + OH^-

Tuy nhiên, sự điện li này rất yếu. Ở 25^oC, nồng độ ion H⁺ và OH^- trong nước là vô cùng nhỏ: [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 M. 

- Khi cho một acid vào nước, có thêm một lượng H⁺ từ acid nên trong dung dịch acid có [H⁺] > [OH^-] ⇒ [H⁺] > 10^-7 M ⇒ dung dịch có nồng độ H⁺ càng lớn thì tính acid càng mạnh.

Tương tự, khi cho một base vào nước sẽ có thêm một lượng OH^- từ base nên trong dung dịch base có [OH^-] > [H⁺].

⇒ Như vậy, chỉ thông qua nồng độ ion H⁺ trong dung dịch có thể biết được dung dịch có môi trường acid hay base, cũng như mức độ acid, base của môi trường đó.

- Người ta sử dụng khái niệm pH, là một đại lượng liên hệ trực tiếp với nồng độ H⁺, để đánh giá tính acid, base của một dung dịch đã cho. Đại lượng pH được định nghĩa qua biểu thức sau:

pH = -lg[H⁺] hay [H⁺] = 10^-pH.

Lấy [H⁺] = 10^-7 M làm mốc trung gian, có liên hệ sau đây:

Như vậy, pH là đại lượng đặc trưng cho mức độ acid, base của một dung dịch.

+ Giá trị pH càng nhỏ hơn 7, dung dịch có tính acid càng mạnh.

+ Giá trị pH càng lớn hơn 7, dung dịch có tính base (tính kiềm) càng lớn.

Ví dụ: Hai dung dịch HCl và CH₃COOH có cùng nồng độ 0,1 M nhưng nồng độ H⁺ trong dung dịch lần lượt là 0,1 M và 1,34.10^-3 M; pH của hai dung dịch trên tương ứng là 1 và 2,87. Điều này dẫn tới kết luận dung dịch HCl có tính acid mạnh hơn dung dịch CH₃COOH. Trong thực tế, HCl thuộc loại acid mạnh, CH₃COOH thuộc loại acid yếu.

2. Ý nghĩa của pH trong thực tiễn

Nhiều quá trình hóa học trong tự nhiên, trong sản xuất và trong cơ thể sống xảy ra trong các dung dịch nước với sự có mặt của các acid và base. Thông thường, các quá trình này diễn ra trong điều kiện ổn định về thành phần các chất và ion, trong đó có nồng độ H^+. Do vậy, một sự thay đổi đáng kể về pH có thể dẫn tới nhưng ảnh hưởng không mong muốn tới các quá trình này.

Ví dụ:

+ Dịch vị dạ dày của con người có chứa acid HCl với pH dao động khoảng 1,5 – 3,5. Đây là khoảng pH phù hợp để các enzyme tiêu hóa (các chất xúc tác sinh học) hoạt động hiệu quả. Ngoài ra, HCl còn làm nhiệm vụ sát khuẩn, tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn có trong thức ăn. Trong dịch vị dạ dày còn có pepsin, một chất giúp chuyển hóa protein trong thức ăn thành các chất đạm mà cơ thể hấp thu được. Pepsin hoạt động tốt nhất ở khoảng pH là 2,0 – 3,0; do vậy, ở những điều kiện pH thấp hơn hoặc cao hơn đều gây những ảnh hưởng không tốt đến quá trình chuẩn hóa chất đạm bằng pepsin.

+ Mỗi loại cây trồng sẽ phát triển tốt nhất trong một khoảng pH của đất xác định: cà chua, xà lách cần giá trị pH khoảng 6,0 – 7,0; cải bắp cần giá trị pH khoảng 6,5 – 7,0; khoai tây cần giá trị pH khoảng 5,0 – 6,0; khoai lang cần giá trị pH khoảng 5,5 – 6,8;... Việc theo dõi và điều chỉnh pH thích hợp có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất cây trồng.

3. Xác định pH bằng chất chỉ thị

Một số chất, chẳng hạn như quỳ tím, phenolphthalein, methyl da cam,... có màu sắc khác nhau trong môi trường acid và môi trường base. Những chất như vậy được gọi là chất chỉ thị acid – base.

Các chất chỉ thị như phenolphthalein, quỳ tím,... chỉ cho biết dung dịch có tính acid hay base. Để biết giá trị pH gần đúng của dung dịch, có thể sử dụng giấy chỉ thị pH.

II. Chuẩn độ dung dịch acid và base

Trong hóa học, chuẩn độ là một phương pháp dùng để xác định nồng độ của một chất trong dung dịch bằng một dung dịch khác đã biết nồng độ.

Về nguyên tắc, có thể xác định nồng độ của một dung dịch base mạnh bằng một dung dịch acid mạnh (hoặc ngược lại) đã biết trước nồng độ (thường gọi là dung dịch chuẩn) dựa theo phản ứng trung hòa:

H⁺ + OH^- \(\rightarrow\) H₂O         (1)

Chẳng hạn, chuẩn độ dung dịch NaOH chưa biết nồng độ bằng dung dịch HCl theo phản ứng:

HCl + NaOH \(\rightarrow\) NaCl + H₂O

Để nhận ra điểm tương đương, cần dùng thêm chất chỉ thị acid – base, thông qua sự thay đổi màu của chất chỉ thị.

Những phản ứng giữa các acid mạnh và base mạnh trong dung dịch đều có chung bản chất (1).

Chẳng hạn, chỉ thị phenolphthalein trong dung dịch HCl sẽ không có màu. Tại điểm tương đương, HCl hết nên nếu thêm tiếp NaOH, dung dịch sẽ chuyển sang màu hồng.

1. pH = -lg[H⁺] là đại lượng cho mức độ acid, base của một dung dịch. Nồng độ H⁺ càng lớn thì giá trị pH càng nhỏ.

2. Các phản ứng hóa học trong thực tiễn thường xảy ra ở một khoảng pH xác định.

3. Chuẩn độ là một phương pháp dùng để xác định nồng độ của một chất trong dung dịch bằng một dung dịch đã biết nồng độ.