Giáo trình Hóa học phân tích bài 3 dung dịch đệm

Có 2 kiểu: đệm acid và đệm baseBase buffer muối của acid mạnh Những dung dịch đệm như thế có pH trong vùng base.. Thêm acid hay base vào muối để có pH mong muốn pH 3 - 11 Muối được cân ở

4 DUNG DỊCH ĐỆM buffer solutions

4.1 Định nghĩa 4.2 Thành phần 4.3 Cơ chế hiệu ứng đệm 4.4 Dự đoán khả năng đệm 4.5 Đánh giá khả năng đệm 4.6 Khả năng đệm ở pH rất thấp hay rất cao 4.7 Tính pH của dung dịch đệm

4.8 Ứng dụng của dung dịch đệm

?

2

-là dd kháng lại sự thay đổi pH khi thêm acid mạnh hay base mạnh vào dd

- hoặc là dd mà khi pha loãng thì pH của

dd thay đổi ít (trong vùng giới hạn)

4 DUNG DỊCH ĐỆM

4.1 ĐỊNH NGHĨA

Chỉ thị: xanh bromophenol sử dụng cho chuẩn độ acid base.

a/- dung dịch đệm gồm; 50ml CH3COOH 0,1N và 50ml CH3COONa 0,1N: dung dịch có

pH = 4,7- màu tím

b/- Thêm 40ml dung dịch HCl 0,1N vào dung dịch a, màu vẫn tím.

c/- Dung dịch CH3COOH (100ml) pH = 4,7.- màu tím

d/- Thêm 6 giọt (khoảng 0,3ml) dung dịch HCl 0,1N dung dịch trở nên vàng.

Không có tác động đệm pH của dung dịch giảm nhanh dưới 3.

3

4.1 ĐỊNH NGHĨA

4.2 THÀNH PHẦN

dd đệm là dd chứa trong một dm phân ly như nước:

- hoặc một acid yếu và muối của một acid yếu (pH acid)

- hoặc một base yếu và muối của một base yếu (base yếu và acid liên hợp của nó) (pH base)

4

4 DUNG DỊCH ĐỆM

Thí dụ: hệ đệm gờm acid yếu va ̀muới của acid yếu

- acid yếu cho phản ứng: Ha + H 2 O H 3 O + + a- (7.27)

Ka = a- là của Ha và của muới BH + a

Như vậy, cùng lúc trong dd có BH + , a - và H +

- Thêm HA : HA phân ly sẽ tăng H + (H + + a - Ha): acid yếu pH thay đởi ít.

4 3 Cơ chế của hiệu ứng đệm

5

ctive.org/buffers/imag es/Pict8buffcapa.gif

6

http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/image/figure1505.jpg

Nếu tiếp tục thêm HA (hoặc B) vào dd đệm thì sẽ đến lúc hầu như toàn bộ a - được trung tính hóa bằng acid (hay Ha sẽ được trung tính hóa bằng base)

lượng mới chất phân ly H + vào nữa thì pH sẽ thay đổi đột ngột và tác động đệm bị hủy.

Chú ý:

- Để có tác động đệm, cần phải có cùng lúc Ha và a - liên hợp.

- Không thể đệm với chỉ Ha hay chỉ a

Tuy nhiên đôi khi cũng đệm dd HA bằng một a

-Thí dụ: đệm dd nitric (HA) bằng lượng thừa acetat Na (a-):

+ trước tiên HA (acid nitric) tác động toàn phần trên (acetat) để tạo thành Ha (acid acetic)

a-+ sau đó, / dd có Ha là (acid acetic) và a- (muối acetat)

Khoảng biến đởi giới hạn của pH này gần như nằm ngang và thể hiện bằng mợt đợ dớc rất nhỏ trên đường cong chuẩn đợ (hình a)

ở giai đoạn bán trung hòa pH = pKa thì có khả năng đệm cao nhất

phần trăm được chuẩn độ

đương lượng OH- được thêm vào

( b)

[acid yếu]  [base liên hợp] 8

4 DUNG DỊCH ĐỆM

4.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ĐỆM

Ở mợt nờng đợ xác định của dd đệm: khả năng đệm nhận được cao nhất khi [acid yếu]  [base liên hợp] (equimolar).

Đó chính là điểm uớn của đường chuẩn đợ (xem hình)

pH của đệm được tính theo biểu thức H Hasselbalch

pH = pKa + lg

9

[acid]

[base]

Thực tế để dd đệm còn hiệu quả thì [Ha] hay [bH + ] ít nhất là

±10% [base]

- nếu [base] = 10 [acid] thì pH = pKa + 1

- nếu [acid] = 10 [base] thì pH = pKa – 1

Khi có quá nhiều acid hay base thêm vào thì pH sẽ vượt ra ngoài vùng đệm và pH sẽ tăng hay giảm nhanh.

4.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG

ĐỆM

10

ảnh hưởng của pKa

trên đường cong chuẩn độ

cùng dạng đường cong nhưng

điểm bán trung hòa khác nhau

11

Dung lượng đệm: là số

của acid mạnh hay base mạnh thêm vào 1 lít dung dịch này (mmol / lít hay mM) để làm thay đổi

Trung hòa mợt dd HA (HCl)/ nước bằng dd

B (NaOH hay KOH) Kết quả: đường cong gần như bằng phẳng giữa pH = 0 và pH = 2 nghĩa là ở đó có mợt khả năng đệm (dù khơng có điểm uớn như ở giai đoạn bán trung hòa).

Hiện tượng này được mơ tả khi xét mợt acid mạnh và mợt base có lực gần như bằng 0 (Ví dụ: cặp HCl/ Cl-).

Trong trường hợp acid mạnh mợt cách lý tưởng, tác đợng đệm vẫn hiện hữu vì nó dùng chính cặp dung mơi H3O + /

H2O.

pH = pK + lg Đệm KCl - HCl giữa pH = 1,0 và pH = 2,2

dd KCl 0,2N (ml)

HCl.0,2N (ml)

25 48,50 100

25 32,25 100

25 20,75 100

25 13,15 100

25 8,40 100

25 5,30 100

25 3,35 100

] [

] [

3

2



O H

O H

4.6 Khả năng đệm

ở pH rất thấp hay rất cao

4 DUNG DỊCH ĐỆM

13

Các hệ thức tính pH của dd đệm

- chứa (Ha) và muới (Ma) của nó

hoặc

- chứa (a-) và muới (Ma) của nó.

[a-] và [Ha] : nờng đợ của ion a- và của Ha lúc cân bằng.

- phụ thuợc vào bản chất pKa (hoặc pKb) và tỷ sớ

- khơng phụ thuợc vào đợ pha loãng của hỡn hợp.

pH = pKa + lg [Ha] [a-]

[a-] [Ha]

dung dịch đệm

14

Bài toán về dung dịch đệm

Muốn pha dd đệm có pH =3,85 từ sodium formiat NaCHO2 và acid formic HCHO2 (Ka= 1,8 x10 -4 ) thì tỷ lệ nồng độ pha là bao nhiêu?

Giải

Theo H – Hasselbalch: pH = pKa + lg [base]/[acid]

Thế pH và pKa đã tìm vào biểu thức H– Hasselbalch để tìm tỷ lệ của [base]/[acid]

3,85 = 3,74 + lg [base]/[acid]

lg [base] / [acid] = 3,85 -3,74 = 0,11 thì [base] / [acid] = 1,3.

Như vậy, nếu [acid] =0,1M thì [base] =0,13M

nghĩa là [acid formic] = 0,1M thì [sodium formiat] = 0,13M

15

Có 2 kiểu: đệm acid và đệm base

Base buffer

muối của acid mạnh

Những dung dịch đệm như thế có pH trong vùng base.

Ví dụ: pH lớn hơn 7 ở 298 độ K.

pH của đệm acid được cho theo

18

Đối với 2 loại đệm:

Basic buffer: (pKw - pKb) -1 to (pKw - pKb) +1

pH = (pKa) - 1 đến (pKa) + 1

Các dd đệm chuẩn có pH # 1,2 –10 / USP 29 – NF 24

Thể tích trình bày trong bảng là cho 200ml dd đệm.

Các thuốc thử - trừ acid boric - sấy trước ở 110 0 C – 120 0 C /

1 giờ.

3 Kali phosphat, monobasic 0,2M

pha chế dung dịch đệm

20

Pha chế dung dịch đệm Acetate pH 3 - 6 ³

(1) 0.1M acetic acid(2) 0.1M sodium acetat (tri-hydrat) (13.6g / l)

trộn từng phần để có pH mong muốn

acetic acid 0.1M (ml)

Thể tích của sodium acetat 0.1M(ml)

pha chế dung dịch đệm

4.Dung dịch đệm

21

(2) 0.1M HCl (3) 0.1M NaOH

Thêm acid hay base vào muối để có pH mong muốn pH 3 - 11

Muối được cân ở dạng rắn và thêm acid (hay base) vào rồi thêm nước cất vừa đủ

1 lít để được pH mong muốn.

pH Hỗn hợp muối –

hoà loãng từng hỗn hợp vào 1 lít dung dịch với nước cất

3 10.21g potassium hydrogen phthalat và 223ml HCl 0.01M

4 10.21g potassium hydrogen phthalat và 1ml HCl 0.01M

5 10.21g potassium hydrogen phthalat và 226ml NaOH 0.01M

6 6.81g potassium dihydrogen phosphat và 56ml NaOH 0.01M

7 6.81g potassium dihydrogen phosphat và 291ml NaOH 0.01M

8 6.81g potassium dihydrogen phosphat và 467ml NaOH 0.01M

9 4.77g sodium tetraborat và 46ml HCl 0.01M

10 4.77g sodium tetraborat và 183ml NaOH 0.01M

Hydrochloric acid/ Potassium chlorid 1.0 - 2.2

Glycin/ Hydrochloric acid 2.2 - 3.6

Potassium hydrogen phthalat/ Hydrochloric acid 2.2 - 4.0

Citric acid/ Sodium citrat 3.0 - 6.2

Sodium acetat/ Acetic acid 3.7 - 5.6

Potassium hydrogen phtalate/ Sodium hydroxid 4.1 - 5.9

Disodium hydrogen phthalate / Sodium dihydrogen orthophosphate 5.8 - 8.0

Dipotassium hydrogen phthalate / Potassium dihydrogen orthophosphate 5.8 - 8.0

Potassium dihydrogen orthophosphat / sodium hydroxid 5.8 - 8.00

Barbitone sodium / Hydrochloric acid 6.8 - 9.6

Tris (hydroxylmethyl) aminomethane / Hydrochloric acid 7.0 - 9.00

Sodium tetraborat/ Hydrochloric acid 8.1 - 9.2

Glycin/ Sodium hydroxid 8.6 - 10.6

Sodium carbonat/ Sodium hydrogen carbonat 9.2 - 10.8

Sodium tetraborat/ Sodium hydroxid 9.3 - 10.7

Sodium bicarbonat / Sodium hydroxid 9.60 - 11.0

Sodium hydrogen orthophosphat / Sodium hydroxid 11.0 - 11.9

Potassium chlorid/ Sodium hydroxid 12.0 - 13.0 24

Nơng nghiệp

Đấtcĩ thể được đệm do sự cĩ mặt của các muối như

Việc chọn lựa phân để bĩn vào đất sẽ tùy thuộc vào pH của vùng đất đĩ

25

4.9 Ứng dụng của dung dịch đệm

4 DUNG DỊCH ĐỆM

Hệ sinh hóa

-(b) hệ đệm phosphoric acid (H2P04, HPO2-)

Một vài enzym chỉ có thể hoạt động ở giá trị pH xác định.

tử vong.

26

Khi sử dụng thuốc kháng acid hoặc sữa của magiê.

Sau khi ăn một bữa ăn với các loại thực phẩm phong phú như: hải sản, dạ dày có để sản xuất acid dạ dày để tiêu hóa thức ăn

Một số các acid có thể tác dụng lên phần thực quản gây ra một cảm giác bỏng rát Để làm giảm cảm giác cháy này, người ta sẽ cần thuốc kháng acid, mà đệm base hòa tan các đệm acid dư thừa bằng cách liên kết với chúng.

Các hệ thống đệm chính

Hệ đệm bicarbonat: NaHCO3/H2CO3 = HCO3- / HCO3- H+:

Hệ đệm này đảm nhiệm 43% khả năng đệm của toàn cơ thể,trong đó ngoại bào 33% và nội bào 10% Đây là một hệ đệmchính của ngoại bào vì:

+ Nồng độ ion bicarbonat dưới hình thái kết hợp NaHCO3trong huyết tương cao Bình thường nó được thận đào thảihoặc tái hấp thu thường xuyên để có nồng độ ổn định tronghuyết tương là 27 mEq/L (còn gọi là dự trữ kiềm)

+ Acid carbonic là một acid bay hơi có thể tăng giảm nồng độmột cách nhanh chóng nhờ hoạt động của phổi (tăng hoặcgiảm thông khí) để có nồng độ ổn định trong huyết tương là1,35 mEq/L

Theo phương trình Henderson-Haselbach:

pH = pK + log [ NaHCO3/H2CO3] = pK + log HCO3-/aPCO2

= 6,1 + log 27/1,25 = 6,1 + log 20 ≈ 6,1 + 1,3 ≈ 7,4

Như vậy, sau khi hệ bicarbonat đã đệm rồi thì pH của dịch ngoạibào cũng chỉ giao động chung quanh 7,4 mà thôi

27

Hệ đệm photphat:

Na2HPO4/NaH2PO4 = NaHPO4-/NaHPO4-H+

Đảm nhiệm 7% khả năng đệm của cơ thể, là một hệ đệm củanội bào (PO43- nội bào = 140 mEq/L) và của nước tiểu, cóhiệu suất lớn vì pK bằng 6,8 gần với pH sinh lý

28

Phosphate buffer

Gomori buffers, the most commonly used phosphate buffers, consist of a mixture of

monobasic dihydrogen phosphate and dibasic monohydrogen phosphate.

By varying the amount of each salt, a range of buffers can be prepared that buffer well between pH 5.8 and pH 8.0 (please see the tables below).

Phosphates have a very high buffering capacity and are highly soluble in water.

However, they have a number of potential disadvantages:

* Phosphates inhibit many enzymatic reactions and procedures that are the foundation of molecular cloning, including cleavage of DNA by many restriction enzymes, ligation of DNA, and bacterial transformation.

* Because phosphates precipitate in ethanol, it is not possible to precipitate DNA and RNA from buffers that contain significant quantities of phosphate ions.

* Phosphates sequester divalent cations such as Ca2+ and Mg2+.

0.5L of 1M K2HPO4 at 174.18g mol-1 = 87.09g 0.5L of 1M KH2PO4 at 136.09g mol-1 = 68.045g

Hệ đệm Hemoglobinat/ Hemoglobin:

Gồm hệ

hemoglobinat Hb-/Hb- H+ và Oxy hemoglobinat H+.

HbO-/HbO-Đây là hệ đệm của hồng cầu, có hàm lượng rất lớn nên

sự bắt giữ và đào thải CO2 ở phổi Hệ đệm này đảm nhiệm 36% khả năng đệm của toàn cơ thể.

29

B Two systems regulate blood pH

1 Lungs: Pulmonary ventilation

pH is proportional to [CO2]

2 Kidney: Regulation of H+/HCO3- I cells of the collecting duct

a pH is proportional to [HCO3-]

b Secretion of H+ occurs during acidosis

c Reabsorption of H+ occurs during alkalosis

d Urinary buffer systems 1) Bicarbonate in the urine

2) Phosphate in the urine 3) Deamination and the ammonium ion (NH4+)

C Acidosis and alkalosis

1 Respiratory changes due largely to changes in [CO2]

2 Metabolic changes due largely to changes in [HCO3-]

http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/018fluidbalance.htm

30

Ophthalmic Preparations

31

Ứng dụng

Dược phẩm

• Miotics e.g pilocarpine Hcl

• Mydriatics e.g atropine

• Cycloplegics e.g atropine

• Anti-inflammatories e.g corticosteroids

• Anti-infectives (antibiotics, antivirals and antibacterials)

• Anti-glucoma drugs e.g pilocarpine Hcl

• Surgical adjuncts e.g irrigating solutions

điều chỉnh pH rất quan trọng:

Ảnh hưởng của pH đối với thời gian lưu của Acids và Bases trong HPLC pha đảo

As acids lose a proton and become ionized (with increasing pH), their retention

decreases As bases gain a proton and become ionized (with decreasing pH) their

retention decreases.

33

Liquid chromatography

pH của pha động thay đổi thừ 7.0 to 7.2 gây ra tăng thời gian lưu của methylamphetamine 13.6 - 14.8, gần như tăng 9% Tuy nhiên, pha động có pH of 2.8,thì có sự thay đổithời gian lưu không đáng kể khi tăng pH 0.2 pH đơn vị

Khi triển khai phương pháp pha đảo đối với hợp chất base như methylamphetamine, thì chúng ta có thể đạt được một phương pháp hữu ích khi sử dụng pha động acid.

34

As acids lose a proton and become ionized (with increasing pH), their retention

decreases.

As bases gain a proton and become ionized (with decreasing pH) their retention

decreases.

Ảnh hưởng của pH đối với thời gian lưu của Acids và Bases trong HPLC pha

đảo

Điều chế pha động có hệ đệm cho HPLC pha đảo

Khi nào nên sử dụng hệ đệm?

Trong sắc ký lỏng pha đảo HPLC, thời gian lưu của chất cần phân tích liên quan đến tính sơ nước của nó

Chất phân tích càng sơ nước thì thời gian lưu của nó càng giảm.

Acids mất proton và trở thành dạng ion khi pH tăng.

Base nhận proton và trở thành dạng ion khi pH giảm (hình 1).

Do vậy, khi tách hổn hợp gồm acid và/ hoăc base bằng HPLC pha đảo thì cần kiểm tra pH của pha động bằng

cách sử dụng hệ đệm thích hợp để thực hiện được kết quả lặp lại

35

Example of the Effect

of Changes in Mobile Phase pH on

Some separations are extremely sensitive to changes in

mobile phase pH This example shows how resolution

goes from an unacceptable 1.4 to an acceptable 3.0 when

the mobile phase pH is decreased by only 0.1.

Buffer pKa Buffer Range UV Cutoff (nm)

Phosphate 2.1 1.1-3.1 200

7.2 6.2-8.2 12.3 11.3-13.3 Formic acid* 3.8 2.8-4.8 210

Acetic acid* 4.8 3.8-5.8 210

Citrate 3.1 2.1-4.1 230

4.7 3.7-5.7 5.4 4.4-6.4 Tris 8.3 7.3-9.3 205

Triethylamine* 11.0 10.0-12.0 200

Pyrrolidine 11.3 10.3-12.3 200

* Volatile buffers

36

chuẩn hoá máy đo pH bằng các

điều chế các dạng định lượng

gần với điểm đẳng điện thực hành/ các qui trình phân tích,

nhất là khi phân tích các dịch sinh học.

Các dd đệm được dùng / các hệ thớng sinh lý

được chọn cẩn thận để

o can thiệp vào hoạt tính dược lực của thuớc

hay chức năng bình thường của cơ thể

4.9 Ứng dụng chung của dung dịch đệm

4 DUNG DỊCH ĐỆM

http://www.djb.co.uk/Graphics/Chemistry/buf fer_sachets.gif

37

Nitrogen Sulfur Các

khác

Muối ammoniac

Nitrat và

nitrit

Carbonat và

hỗn hợp carbonat

Nhóm acid sulfonic và carboxylic Nhóm amin Nhóm Ester Nhóm OH

Nhóm carbonyl

Định lượng acid Định lượng base Phân tích nguyên tố chất vô cơ Xác định Xác định nhóm chức hữu cơ

6.1 CÔ CHEÁ

6 Định lượng / mt khan nước

/ dung môi khan (là dung môi không ion hoá), acid cũng cho H + và được solvat hoá nhưng vì hằng số

điện ly của dung môi này thấp nên H + solvat hoá

chủ yếu hiện diện ở dạng cặp ion với anion acid

HA + S SH + A

-Sau đó base B sẽ tác động với cặp ion này để tạo thành:

SH + A - + B BH + A - + S Phản ứng xảy ra là vì B là base mạnh hơn

dung môi S

Acid-base titration in non-aqueous medium

Có 2 loại chất cần được chuẩn độ trong môi trường khan:

- Acid hay base hữu cơ có trọng lượng phân tử cao và độ hoà

tan giới hạn trong nước.

- Những hợp chất hữu cơ có tính acid hay base rất yếu (Ka hay

Kb  10 –8 ) như amin thơm, phenol, muối của acid carboxylic và

acid vô cơ khó thấy điểm kết thúc trong môi trường nước

39