Máy tính Axit–Bazơ & pH

Axit là chất cho proton (H⁺) và bazơ là chất nhận proton — định nghĩa Brønsted–Lowry, cũng là định nghĩa mà mọi bảng trên trang này dùng. Giấm (axit axetic) cho một proton cho nước; amoniac nhận một proton và trở thành amoni. Mỗi axit đi cùng cặp với phần còn lại sau khi nó cho đi proton: cặp đó — axit axetic CH₃COOH với acetat CH₃COO⁻, hoặc amoni NH₄⁺ với amoniac NH₃ — là một cặp axit–bazơ liên hợp, và toàn bộ hóa học của dung dịch đệm và chuẩn độ là việc ghi chép các cặp này.

Vì [H⁺] trải dài hơn mười bốn lũy thừa 10 giữa axit ắc quy và chất tẩy cống, các nhà hóa học nén nó lại: pH = −log₁₀[H⁺]. Bản thân nước luôn phân ly một chút, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ ở 25°C, đó là lý do pH + pOH = 14: tăng một bên thì bên kia giảm đúng bằng ngần ấy. Trung tính đơn giản là [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, chỉ là pH 7 ở 25°C — nước tinh khiết nóng có pH hơi dưới 7 nhưng vẫn hoàn toàn trung tính. Như một kiểm tra thang mà trang có thể tái tạo: pH 3,5 (gần độ axit của nước cam) tương ứng với [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L.

Axit mạnh như HCl phân ly gần như hoàn toàn — cho chúng vào nước và hầu như mọi phân tử đều trao proton. Axit yếu đạt tới cân bằng: HA ⇌ H⁺ + A⁻, được mô tả bằng K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Axit axetic có K_a = 1,8×10⁻⁵, thường được ghi là pK_a = 4,74 (cùng mẹo −log như pH). Phần hữu ích là quy tắc cặp: K_a × K_b = K_w cho một cặp liên hợp, nên axit mạnh hơn tự động có bazơ liên hợp yếu hơn. Acetat, đối tác của axit axetic yếu, là một bazơ rất yếu với K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — cả hai phép chuyển đổi đều chạy trong khung Ka & Kb ở trên.

Dung dịch đệm là một axit yếu và bazơ liên hợp của nó có mặt với lượng tương đương. H⁺ được thêm vào sẽ bị A⁻ tiêu thụ; OH⁻ được thêm vào sẽ bị HA tiêu thụ; trong cả hai trường hợp tỷ lệ hầu như không đổi, nên pH hầu như không đổi. Việc ghi chép thu gọn thành pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Khi hai nồng độ bằng nhau, pH = pK_a chính xác, và mỗi lần tỷ lệ thay đổi 10 lần sẽ làm pH thay đổi đúng một đơn vị — nút mẫu tỷ lệ 1:10 cho pH 5,76 với một dung dịch đệm acetat có pK_a là 4,76. Đệm đáng tin cậy chỉ trong khoảng pK_a ± 1 (tỷ lệ 0,1–10), đó là lý do chọn dung dịch đệm nghĩa là chọn loại có pK_a gần pH mục tiêu của bạn. Máu là ví dụ tiêu biểu: cặp bicarbonate/CO₂ giữ huyết tương ở 7,35–7,45, và enzyme ngừng hoạt động ngoài khoảng đó.

Thêm bazơ mạnh vào axit làm thay đổi liên tục tỷ lệ [A⁻]/[HA], và đường cong chính là phương trình Henderson–Hasselbalch được vẽ ra. Ban đầu dung dịch đệm hấp thụ bazơ và pH tăng chậm — vùng phẳng. Tại điểm tương đương, số mol bazơ đúng bằng số mol axit; ở đó đường cong gần như thẳng đứng, đó là lý do điểm này đánh dấu kết thúc chuẩn độ. Đến nửa đường, [A⁻] = [HA], nên pH bằng pK_a — một cách chuẩn để đo pK_a từ đường cong. Axit mạnh + bazơ mạnh gặp nhau ở pH 7, nhưng axit yếu + bazơ mạnh kết thúc trên 7 (gần 8,7 với mẫu axit axetic mặc định), vì phần còn lại trong bình là một bazơ yếu.

• Mạnh nghĩa là đậm đặc. Không đúng — độ mạnh là mức độ axit phân ly hoàn toàn đến đâu, còn nồng độ là có bao nhiêu axit. HCl 0,001 M là một axit mạnh loãng; axit axetic băng là một axit yếu đậm đặc.
• Trung tính luôn là pH 7. Chỉ ở 25°C, nơi K_w = 10⁻¹⁴. Trung tính nghĩa là [H⁺] = [OH⁻], không hơn không kém.
• pH dừng ở 0 và 14. Đó chỉ là ranh giới của thang nước 25°C. HCl 12 M có pH khoảng −1, còn NaOH đậm đặc vượt quá 14.
• pH của axit yếu = −log nồng độ của nó. Cách tắt đó chỉ dùng được với axit mạnh. pH của axit yếu còn cần K_a của nó, vì phần lớn phân tử không bao giờ phân ly.

Công cụ liên quan: Cân bằng hóa học (hằng số cân bằng như K_a đến từ đâu), Quang phổ (đo nồng độ bằng ánh sáng), và Máy tính sinh học (công thức dung dịch đệm theo đơn vị micromol).