Nghiên cứu phương pháp xác định hằng số cân bằng của các acid base trong dung dịch nước từ kết quả chuẩn độ điện thế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘITRẦN THẾ NGÀ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA CÁC ACID-BASE TRONG DUNG DỊCH NƯỚC TỪ KẾT QUẢ CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ Chuyên ngành: Hóa học phân

TRẦN THẾ NGÀ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA CÁC ACID-BASE TRONG DUNG DỊCH NƯỚC TỪ KẾT QUẢ CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

TRẦN THẾ NGÀ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA CÁC ACID-BASE TRONG DUNG DỊCH NƯỚC TỪ KẾT QUẢ CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ

Chuyên ngành: Hóa học phân tích

Mã số: 9.44.01.18

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đào Thị Phương Diệp

Các số liệu và tài liệu trích dẫn trong luận án này là trung thực Kết quả nghiên cứutrong luận án này không trùng lặp với bất cứ công trình nghiên cứu đã công bốtrước đó.

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày … tháng … năm

2020

Tác giả

Trần Thế Ngà

xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.NGƯT Đào Thị Phương Diệp, người

đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên cũng như hỗn trợ em trongsuốt thời gian thực hiện luận án

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Lê Thị Hồng Hải và nhóm

nghiên cứu bộ môn Hóa học vô cơ đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong việc tổng hợp

và nghiên cứu cấu trúc của các chất mới Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành

đến PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà và nhóm nghiên cứu tính toán lí thuyết đã hỗ trợ

em thực hiện việc tính toán Hóa học lượng tử

Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn học viên cao học các khóa 24, 25, 26 của Bộmôn Hóa Phân tích đã hỗ trợ tôi thực hiện một số thực nghiệm của luận án

Cuối cùng, em gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ Môn Hóahọc Phân tích, các thầy cô trong Khoa Hóa học, gia đình và bạn bè đã tạo điều kiệnthuận lợi, động viên và giúp đỡ em hoàn thành luận án của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm

2020

Nghiên cứu sinh

Trần Thế Ngà

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Đóng góp mới của luận án 3

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ HOẠT ĐỘ 5

1.1.1 Hằng số cân bằng và các yếu tố ảnh hưởng 5

1.1.2 Hoạt độ và hệ số hoạt độ 6

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 10

1.2.1 Phương pháp tính toán lí thuyết 10

1.2.2 Phương pháp thực nghiệm 13

1.3 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ 21

1.3.1 Cấu tạo và hoạt động của điện cực thủy tinh 22

1.3.2 Nguyên tắc của chuẩn độ điện thế 23

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuẩn độ điện thế 23

1.3.4 Tình hình nghiên cứu xác định hằng số cân bằng theo phương pháp chuẩn độ điện thế 26

1.4 TÍNH TOÁN HẰNG SỐ CÂN BẰNG TỪ DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM 28

1.4.1 Phương pháp tính toán từng điểm 28

1.4.2 Phương pháp nội suy tại các điểm nửa phản ứng 28

1.4.3 Phương pháp bình phương tối thiểu 29

1.5 SƠ LƯỢC VỀ MỘT SỐ DẪN XUẤT QUINOLINE MỚI TỔNG HỢP 31

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 33

2.1.3 Thiết bị 33

2.2 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ 34

2.2.1 Nhiệt độ 34

2.2.2 Môi trường ion 34

2.2.3 Lực ion của dung dịch chuẩn hóa máy 35

2.2.4 Ảnh hưởng của CO 2 khí quyển 36

2.3 PHA CHẾ CÁC DUNG DỊCH 36

2.3.1 Pha chế các dung dịch chuẩn và chuẩn hóa 36

2.3.2 Pha dung dịch nghiên cứu 37

2.4 CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ 38

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ 39

3.1.1 Nhiệt độ 39

3.1.2 Môi trường ion 39

3.1.3 Ảnh hưởng của lực ion của dung dịch chuẩn hóa máy 42

3.1.4 Ảnh hưởng của CO 2 khí quyển 43

3.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐỂ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG TỪ KẾT QUẢ CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ 45

3.2.1 Kĩ thuật 1 45

3.2.2 Kĩ thuật 2 48

3.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG 49

3.3.1 Xác định hằng số cân bằng của glutamic acid (Glu) 51

3.3.2 Xác định hằng số cân bằng của oxalic acid 64

3.3.3 Xác định hằng số cân bằng cho một số acid khác 70

3.3.4 Quy trình xác định hằng số cân bằng acid-base theo phương pháp chuẩn độ điện thế 89

acetic acid 92

3.4.2 Xác định hằng số cân bằng của (5-bromo-6-hydroxy-N-methyl-3-sulfoquinoline-7-yloxy) acetic acid 105

3.4.3 Xác định hằng số cân bằng của (6-hydroxy-3-sulfoquinoline-7-yloxy) acetic acid 110

KẾT LUẬN 118

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC 130

1 BNCĐ Bước nhảy chuẩn độ

Bảng 2.2 Khối lượng muối NaCl và KCl dùng để duy trì các lực ion 35

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của KCl tới điện cực thủy tinh 39Bảng 3.2 Ảnh hưởng của NaCl tới điện cực thủy tinh 40Bảng 3.3 Kết quả đánh giá sự sai khác giữa pHLT và pHTN khi chuẩn hóa máy ở các

lực ion khác nhau 42Bảng 3.4 Kết quả đo pH của dung dịch HCl khi không sục N2 và có sục khí N2 43Bảng 3.5 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của CO2 tới kết quả chuẩn độ điện thế 44Bảng 3.6 Cấu trúc phân tử của các acid dùng trong nghiên cứu cơ bản 50Bảng 3.7 Kết quả chuẩn độ điện thế các dung dịch Glu 52Bảng 3.8 Kết quả xác định BNCĐ và tỉ lệ mol phản ứng tại ĐTĐ từ phép chuẩn độ

các dung dịch Glu 54Bảng 3.9 Kết quả tính các đại lượng Q, Y, X1, X2 và X3 của DD1 ở khu vực pH

trước BNCĐ 55Bảng 3.10 Kết quả tính các đại lượng Q, Y, X1, X2 và X3 của DD1 ở khu vực pH

sau BNCĐ 55Bảng 3.11 Kết quả xác định HSCB của Glu trong khu vực pH trước và sau BNCĐ

56Bảng 3.12 Kết quả xác định HSCB của Glu theo kĩ thuật 1 57Bảng 3.13 Kết quả chuẩn độ điện thế DDHCl và DDhh (HCl, Glu) 59Bảng 3.14 Kết quả xác định BNCĐ và tỉ lệ mol phản ứng tại ĐTĐ từ phép chuẩn

độ DDHCl và DDhh (HCl, Glu) 60Bảng 3.15 Kết quả tính các đại lượng V1, Q, Y, X1, X2 và X3 từ DDHCl và DDhh ở

khu vực pH trước BNCĐ 61Bảng 3.16 Kết quả tính các đại lượng V1, Q, Y, X1, X2 và X3 từ DDHCl và DDhh ở

khu vực pH sau BNCĐ 62

Bảng 3.20 Kết quả xác định BNCĐ và tỉ lệ mol phản ứng tại ĐTĐ từ phép chuẩn

độ các dung dịch oxalic acid 66

Bảng 3.21 Kết quả xác định HSCB của oxalic acid theo kĩ thuật 1 67

Bảng 3.22 Kết quả chuẩn độ điện thế DDHCl và DDhh (HCl, H2C2O4) 68

Bảng 3.23 Kết quả xác định HSCB của oxalic acid theo hai kĩ thuật chuẩn độ 69

Bảng 3.24 Biểu thức tính các đại lượng Q, Y, X đối với các đơn acid 71

Bảng 3.25 Kết quả chuẩn bị các dung dịch và chuẩn độ điện thế các đơn acid 72

Bảng 3.26 Kết quả xác định HSCB của hydrogen sunfate theo hai kĩ thuật chuẩn độ .78

Bảng 3.27 Kết quả xác định HSCB của acetic acid theo hai kĩ thuật chuẩn độ 78

Bảng 3.28 Kết quả xác định HSCB của 2-furoic acid theo kĩ thuật 2 78

Bảng 3.29 Kết quả xác định HSCB của ethylammonium theo kĩ thuật 2 79

Bảng 3.30 Kết quả xác định HSCB của trimethylammonium theo kĩ thuật 2 79

Bảng 3.31 Kết quả chuẩn bị dung dịch và chuẩn độ điện thế các đa acid 82

Bảng 3.32 Kết quả xác định BNCĐ và tỉ lệ mol phản ứng tại ĐTĐ từ phép chuẩn độ các dung dịch acid đa chức 85

Bảng 3.33 Kết quả xác định HSCB của malic acid theo hai kĩ thuật chuẩn độ 85

Bảng 3.34 Kết quả xác định HSCB của salicylic acid theo kĩ thuật 2 86

Bảng 3.35 Kết quả xác định HSCB của H3Cit theo kĩ thuật 1 88

Bảng 3.36 Tên gọi và công thức cấu tạo của 3 acid mới 91

Bảng 3.37 Kết quả chuẩn độ điện thế các dung dịch H2DSA 93

Bảng 3.38 Kết quả xác định BNCĐ và tỉ lệ mol phản ứng tại ĐTĐ của các phép chuẩn độ dung dịch H2DSA 94

Bảng 3.39 Kết quả tính các đại lượng Q, Y, X1 và X2 từ phép chuẩn độ DD1 ở khu vực pH trước BNCĐ 96

Bảng 3.40 Kết quả xác định HSCB của H2DSA theo kĩ thuật 1 96

Bảng 3.43 Nồng độ (CH DSA2 .103 M) của 10 dung dịch H2DSA 101Bảng 3.44 Kết quả xác định HSCB của H2DSA theo phương pháp tính lặp 101Bảng 3.45 Kết quả xác định HSCB của H2DSA theo các phương pháp khác nhau

103Bảng 3.46 Kết quả xác định HSCB của H2MeBrSA theo kĩ thuật 1 106Bảng 3.47 Kết quả xác định HSCB của H2MeBrSA theo hai kĩ thuật chuẩn độ 108Bảng 3.48 Kết quả xác định HSCB của H3SA trong khu vực pH trước và sau

BNCĐ theo kĩ thuật 1 112Bảng 3.49 Kết quả xác định chỉ số HSCB của H3SA theo kĩ thuật 1 113Bảng 3.50 Kết quả xác định HSCB của H3SA trong khu vực pH trước và sau

BNCĐ theo kĩ thuật 2 114Bảng 3.51 Kết quả xác định HSCB của H3SA theo kĩ thuật 2 114Bảng 3.52 Kết quả xác định HSCB của H3SA theo hai kĩ thuật chuẩn độ 115

II Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Cấu tạo của điện cực thủy tinh 22Hình 1.2 Sơ đồ chuẩn độ điện thế 23

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp một số dẫn xuất mới của quinoline 32

Hình 3.1 Ảnh hưởng của KCl và NaCl đến điện cực thủy tinh trong môi trường

acid (dung dịch KHP) với các lực ion khác nhau 40Hình 3.2 Ảnh hưởng của KCl và NaCl đến điện cực thủy tinh trong môi trường

trung tính (dung dịch PBS) ở các lực ion khác nhau 41Hình 3.3 Ảnh hưởng của KCl và NaCl đến điện cực thủy tinh trong môi trường

base (dung dịch PS) ở các lực ion khác nhau 41Hình 3.4 Đường cong chuẩn độ các dung dịch glutamic acid 53

Hình 3.8 Đường cong chuẩn độ các dung dịch HSO4- 74

Hình 3.9 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, HSO4-) 74

Hình 3.10 Đường cong chuẩn độ các dung dịch HAc 75

Hình 3.11 Đường cong chuẩn độ DDHNO3 và DDhh (HNO3, HAc) 75

Hình 3.12 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, 2-furoic) 76

Hình 3.13 Đường cong chuẩn độ DDhh (HCl, Ethylammonium) 76

Hình 3.14 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, Trimethylammonium) 77

Hình 3.15 Đường cong chuẩn độ các dung dịch malic acid 83

Hình 3.16 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, malic acid) 83

Hình 3.17 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, salicylic acid) 84

Hình 3.18 Đường cong chuẩn độ các dung dịch citric acid 84

Hình 3.19 Đường cong chuẩn độ các dung dịch H2DSA 94

Hình 3.20 Đường cong chuẩn độ DDHCl và DDhh (HCl, H2DSA) 98

Hình 3.21 Đường cong chuẩn độ các dung dịch H2MeBrSA 106

Hình 3.22 Đường cong chuẩn độ DDHCl và các DDhh (HCl, H2MeBrSA) 107

Hình 3.23 Đường cong chuẩn độ các dung dịch H3SA 111

Hình 3.24 Đường cong chuẩn độ DDHCl và các DDhh (HCl, H3SA) 113

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các thông số nhiệt động, hằng số cân bằng (HSCB) của các acid trongdung môi nước là một thông số có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối các quá trìnhphân tích vì hầu hết các quá trình trong dung dịch đều có liên quan đến sự cho-nhậnproton Đặc biệt đối với các acid-base hữu cơ, các HSCB có ý nghĩa rất lớn trongviệc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng chúng trong công nghiệp dược phẩm, côngnghệ sinh học, điều chế các thuốc thử hữu cơ cũng như phân tách các đồng phânmới có hoạt tính sinh học cao Khi xác định được các HSCB này sẽ biết được thôngtin về bản chất của các nhóm chức, về cân bằng hỗ biến giữa các dạng, giải thíchđược tương tác của chất tan với các dung môi hoặc lựa chọn được điều kiện tối ưucho các quá trình phân tích Tại một pH xác định, các acid sẽ tồn tại chủ yếu ở mộtdạng nào đó và dạng tồn tại đó sẽ quyết định đến các tính chất đặc trưng của chấtnhư tính chất vật lí, tính chất hóa học, hoạt tính sinh học, tính chất sắc kí hoặc độctính, … Do đó, việc xác định các HSCB của các acid có ý nghĩa rất lớn đối vớinghiên cứu khoa học và ứng dụng các chất trong thực tiễn Điều đó, một mặt, sẽcung cấp cơ sở dữ liệu về các HSCB phục vụ cho việc giảng dạy, tra cứu và tínhtoán các quá trình trong dung dịch; mặt khác, giúp cho các nhà khoa học nghiên cứutìm ra các tính chất đặc trưng hữu ích của các chất mới để ứng dụng chúng vào cáclĩnh vực của đời sống

Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định HSCB acid , trong

đó chuẩn độ điện thế đang là một phương pháp được nhiều nhà khoa học lựa chọn

do phương pháp này có độ chính xác cao, thực nghiệm đơn giản mà vẫn đạt độ tincậy cần thiết cũng như tiết kiệm thời gian và chi phí cho quá trình nghiên cứu Đã

có một số công trình nghiên cứu xác định HSCB acid theo phương pháp này, tuynhiên chưa có công trình nào công bố về một quy trình đầy đủ để xác định HSCBcủa các acid-base cũng như việc tính toán chưa tối ưu do phải lập các chương trìnhtính lặp khá phức tạp Vì vậy, việc nghiên cứu và xây dựng một quy trình chung,hợp lí và có tính khả thi để xác định HSCB của các acid mới trong dung dịch nước

có ý nghĩa hết sức to lớn đối với lĩnh vực hóa phân tích nói riêng và với ngành hóa

học nói chung Do đó, tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp xác

định hằng số cân bằng của các acid-base trong dung dịch nước từ kết quả chuẩn độ điện thế”.

2 Mục tiêu của đề tài

Xây dựng một quy trình chung, hợp lí và có tính khả thi để xác định HSCBacid-base trong dung dịch nước ở 250C từ kết quả chuẩn độ điện thế với thuật toántính nhanh, đơn giản và hiệu quả Từ đó ứng dụng để xác định HSCB của một sốacid chưa có số liệu công bố về HSCB

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án được thực hiện trên cơ sở phương pháp thực nghiệm kết hợp vớiphương pháp tính toán lí thuyết

Đối với phương pháp thực nghiệm, hai kĩ thuật chuẩn độ điện thế được tiến

hành, bao gồm: (i) kĩ thuật 1: Chuẩn độ điện thế dung dịch chỉ chứa acid nghiên cứu; (ii) kĩ thuật 2: Chuẩn độ hai dung dịch: Một dung dịch chỉ chứa acid mạnh;

một dung dịch chứa hỗn hợp acid mạnh và acid nghiên cứu

Phương pháp tính lí thuyết bao gồm xây dựng phương trình tính tổng quát đểxác định HSCB acid-base trong dung dịch nước và xây dựng thuật toán dựa trênnguyên lí bình phương tối thiểu áp dụng cho hàm tuyến tính

Các số liệu thực nghiệm được xử lí bằng phương pháp thống kê

Để đánh giá kết quả thu được, chúng tôi sử dụng phương pháp đối chứng Vớicác nghiên cứu cơ bản (đối tượng là các acid đã biết HSCB), các kết quả tính được

từ thực nghiệm đo pH được so sánh với các số liệu đã được công bố trong các tàiliệu tin cậy Với các nghiên cứu ứng dụng (đối tượng là các acid chưa biết HSCB),chúng tôi thực hiện theo các kĩ thuật chuẩn độ khác nhau, theo phương pháp tínhkhác nhau đồng thời tiến hành phân tích, so sánh cấu trúc với các hợp chất có cấutrúc tương tự (đã biết HSCB), kết hợp xét các hiệu ứng, các yếu tố ảnh hưởng đếnđặc tính acid-base của các nhóm chức, từ đó kết luận về kết quả thu được

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu, lựa chọn điều kiện thực nghiệm tối ưu: nhiệt độ, môi trường ion,lực ion, ảnh hưởng của CO2 khí quyển, các đệm chuẩn để chuẩn hóa máy đo pH

- Xây dựng phương trình tính và thuật toán tính tổng quát để xác định HSCBcủa các acid-base từ dữ liệu thực nghiệm đo pH

- Tiến hành nghiên cứu cơ bản: tính HSCB của một số đơn và đa acid (đã biếtHSCB) từ kết quả chuẩn độ điện thế

- Xây dựng một quy trình chung, có tính khả thi để xác định HSCB cho cácacid-base trong dung dịch nước

- Ứng dụng quy trình đã xây dựng để xác định HSCB của một số acid mớichưa có số liệu công bố về HSCB

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài đã bổ sung cơ sở lí thuyết về

các phương pháp xác định HSCB từ giá trị pH đã biết Từ đó, mở ra hướng nghiêncứu xác định các thông số nhiệt động cho một số hệ khác từ thực nghiệm Mặt khác,các giá trị HSCB của các acid mới xác định được sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu phục vụcho quá trình nghiên cứu ứng dụng các acid này cũng như cung cấp các HSCB choquá trình học tập, giảng dạy và nghiên cứu trong Hóa học phân tích

Về mặt thực tiễn: Quy trình xác định HSCB acid xây dựng được đã đóng góp

quan trọng về mặt thực nghiệm cho các nghiên cứu xác định HSCB nói riêng cũng nhưxác định các thông số nhiệt động nói chung Quy trình này có thể được áp dụng như làmột quy trình chung để xác định HSCB trong dung dịch nước cho các acid mới

6 Đóng góp mới của luận án

(1) Đã xây dựng được phương trình tính tổng quát dạng hồi quy tuyến tính và

thuật toán đơn giản để xác định HSCB cho các acid-base trong dung dịch nước từ kếtquả chuẩn độ điện thế Phương trình tổng quát đã phản ánh được phần acid nghiêncứu bị trung hòa, đây là cơ sở để đánh giá sự hợp lí của các HSCB tính được

(2) Đã cải tiến, tối ưu hóa quy trình chuẩn độ điện thế với hai kĩ thuật chuẩn

độ Việc thêm acid mạnh vào hệ nghiên cứu theo kĩ thuật 2 giúp tính chính xác

được HSCB của những acid có pKa < 3 và HSCB nấc 1 của những acid có sựchuyển vị nội phân tử như amino acid Từ đó, đã xác định được phạm vi áp dụnghợp lí của từng kĩ thuật chuẩn độ.

(3) Đã xây dựng được quy trình chung, hợp lí và có tính khả thi để xác địnhHSCB cho các acid-base trong dung dịch nước ở 250C bằng phương pháp chuẩn độđiện thế

(4) Đã ứng dụng quy trình xây dựng được để xác định thành công HSCB của

03 acid mới chưa có trong tài liệu tra cứu Kết quả này đã góp phần cung cấp dữliệu về HSCB để phục vụ cho việc học tập và giảng dạy môn Hóa học phân tíchcũng như nghiên cứu ứng dụng các acid này

7 Cấu trúc của luận án

Luận án được cấu trúc gồm các phần như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ HOẠT ĐỘ

1.1.1 Hằng số cân bằng và các yếu tố ảnh hưởng

2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hằng số cân bằng

(a) Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử và hiệu ứng electron

Cấu trúc phân tử và hiệu ứng electron trong phân tử acid ảnh hưởng mạnh tới

sự phân li của acid đó trong dung dịch và do đó, có ảnh hưởng đến các giá trị HSCBnhiệt động Ví dụ, với các phân tử hữu cơ, các hiệu ứng làm tăng độ phân cực liênkết X–H (X thường là các nguyên tố O, N) như hiệu ứng cảm ứng âm (kí hiệu là –I), hiệu ứng liên hợp âm (kí hiệu là –C) sẽ làm tăng lực acid Các nguyên tửhalogen, nhóm nitro, nhóm carboxyl thường là các nhóm gây hiệu ứng –I, còn cácnhóm như phenyl, carbonyl, nitro thường gây hiệu ứng –C

(b) Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hằng số cân bằng acid-base cũng như tất cả các thông số nhiệt động khác đềuphụ thuộc vào nhiệt độ Năng lượng tự do Gibbs được biểu diễn như sau:

(c) Ảnh hưởng của dung môi

Trong các dung môi khác nhau, do sự tương tác của chất tan với dung môi làkhác nhau nên khả năng phân li của một chất sẽ thay đổi và do đó HSCB trong cácdung môi khác nhau cũng sẽ khác nhau Trong thực tế, hầu hết các quá trình đềuchủ yếu xảy ra trong dung môi nước nên lực acid-base sau đây chỉ đề cập đến trongdung môi là nước

(d) Ảnh hưởng của lực ion

Hằng số cân bằng nhiệt động là hằng số được xác định ứng với dung dịch lí

tưởng vô cùng loãng (lực ion I = 0) nên khi thay đổi lực ion sẽ làm ảnh hưởng tới

các hằng số cân bằng Thực tế, trong điều kiện thực nghiệm thì lực ion luôn khác 0nên phải ngoại suy các hằng số thực nghiệm thành các hằng số nhiệt động Do đó,việc đánh giá lực ion là rất cần thiết trong các nghiên cứu xác định các đại lượngnhiệt động

1.1.2 Hoạt độ và hệ số hoạt độ

Như đã chỉ ra ở trên, hằng số nhiệt động là đại lượng chỉ phụ thuộc vào bảnchất của chất (thành phần nguyên tố, cấu trúc, hiệu ứng cấu trúc trong phân tử),nhiệt độ và dung môi Đối với một chất cụ thể và ở một nhiệt độ xác định thì HSCB

nhiệt động có liên hệ với HSCB nồng độ thông qua hệ số hoạt độ (γ).Xét cân bằng

sau trong dung dịch: aA + bB  cC + dD

C D

c

.(C) (D) [C] [D]

γ i là hệ số hoạt độ của cấu tử i.

Đại lượng K γ phụ thuộc vào bản chất ion, môi trường ion và lực ion của dungdịch Đánh giá chính xác hệ số hoạt độ sẽ đánh giá được HSCB nhiệt động

1 Định nghĩa và quy ước

Hoạt độ là nồng độ hoạt động của một cấu tử khi cấu tử đó tham gia vào các quá

trình hóa học Hoạt độ của cấu tử i được kí hiệu là a i hoặc (i) và có thứ nguyên nồng

độ Mối quan hệ giữa hoạt độ và nồng độ được mô tả như biểu thức (1.2)

Quy ước về xác định hoạt độ của các cấu tử như sau :

- Trong dung dịch, hoạt độ của dung môi, chất rắn và chất lỏng nguyên chấtnằm cân bằng với dung dịch đều bằng 1

- Hoạt độ của chất khí nằm cân bằng với dung dịch (còn gọi là hoạt áp) bằng

áp suất riêng phần của khí đó trên bề mặt dung dịch

- Trong dung dịch vô cùng loãng (dung dịch lí tưởng) thì hệ số hoạt độ gầnbằng 1 và khi đó coi hoạt độ và nồng độ của mỗi cấu tử bằng nhau

Hệ số hoạt độ (γ) là đại lượng cho biết sự sai lệch nồng độ giữa trạng thái lí

tưởng và trạng thái thực của dung dịch Thông qua hệ số hoạt độ, các phép tínhnhiệt động đối với hệ thực được giữ nguyên như hệ lí tưởng

Hệ số hoạt độ phụ thuộc vào nồng độ và điện tích của mọi ion có trong dungdịch Để biểu diễn tương tác của các ion trong dung dịch, sử dụng khái niệm lực ion

I được định nghĩa như sau:

2 i 1

Trong đó: Thừa số A là đại lượng phụ thuộc vào dung môi và nhiệt độ Trong dungdịch nước, ở 250C thì A = 0,5115; Zi là điện tích của ion i; I là lực ion của dung dịch

được tính theo biểu thức (1.5)

- Phạm vi áp dụng: Phương trình Debye–Huckel được áp dụng để xác định hệ

số hoạt độ cho các ion trong dung dịch loãng có lực ion I ≤ 0,001.

Phương trình Debye–Huckel có nhiều chấp nhận gần đúng nên sau nàyDebye–Huckel đã nghiên cứu mở rộng và đưa ra phương trình như sau:

2.lg

i i

Trong đó: B là hằng số lí thuyết và có giá trị bằng 0,3283 L1/2.mol-1/2 Å–1 Tuy nhiên,

giá trị ai là kích thước ion chỉ xác định được bằng thực nghiệm cho một số ít ion

Trong nhiều trường hợp, giá trị (Bai) trong biểu thức (1.7) thường được tác giả đềxuất lấy là 1,0 hoặc 1,5

b) Phương trình Davies

Khác với Debye–Huckel, Davies đã xét ion trong mối quan hệ tương tác vớicác ion khác chứ không coi là một điện tích độc lập Trong đó phải kể đến sự liênhợp ion ở các lực ion lớn hơn

Phương trình Davies đã để ý đến các tương tác ion và có khả năng áp dụngcho các dung dịch trong khoảng lực ion rộng nên được sử dụng trong các nghiên

cứu của luận án này với giá trị b = 0,2.

c) Sự liên hợp và tương tác của các ion – Các giả thuyết hiện đại về hệ số hoạt độ

 Sự gần đúng về liên hợp ion

Sự liên hợp ion là sự tạo thành cặp ion trong dung dịch, từ đó sẽ làm giảm ảnhhưởng của giá trị lực ion Các ion tự do và cặp ion liên hợp được coi như nằm cânbằng với nhau và khi đó lực ion hiệu dụng được định nghĩa như sau:

 Sự gần đúng về tương tác ion

Phương pháp này kể đến tương tác tĩnh điện xa và gần của tất cả các ion dựatrên các giả thiết sau :

- Tương tác của cặp ion là riêng biệt và không thay đổi khi có mặt của các ion khác

- Độ lớn của sự sai lệch so với trạng thái lí tưởng phụ thuộc vào dung môi và nồng

độ chất tan

- Sự sai lệch so với trạng thái lí tưởng được mô tả bằng lí thuyết Debye–Huckel

- Tất cả các phương pháp ước lượng độ lệch so với trạng thái lí tưởng phải tiến tớigiới hạn Debye–Huckel khi sự pha loãng tăng

Phương pháp đánh giá hệ số hoạt độ có kể đến các tương tác phức tạp trong hệ

đã được một số tác giả nghiên cứu và đưa ra như phương trình Guggenheim-Scatchard, phương trình Pitzer-Brewer và phương trình Pitzer

Bronsted- Phương trình Bronsted-Guggenheim-Scatchard

Trên cơ sở tính toán tỉ mỉ các tương tác ion, Bronsted-Guggenheim-Scatchard

đã đưa ra phương trình tính hệ số hoạt độ ở các lực ion lớn như sau:

Trong đó, số hạng thứ nhất tương tự như phương trình Debye–Huckel; số hạng thứ

hai là hệ số tương tác của ion k với ion j đang xem xét tại lực ion I Phương trình (1.10) có thể áp dụng cho lực ion từ 0,5 đến 3,5 Trong trường hợp j là cấu tử không mang điện thì hệ số hoạt độ của cấu tử j chỉ bằng hệ số tương tác của các ion

trong phương trình (1.10)

 Phương trình Pitzer-Brewer

- Biểu thức:

20,5107

1

j j

k

B j k I k I

Trong phương trình (1.11) các tác giả đã hiệu chỉnh nhẹ thừa số A và chọn hệ

số B.a = 1,0 thay cho giá trị 1,5 của số hạng Debye–Huckel Số hạng thứ hai cũng

có ý nghĩa tương tự phương trình Bronsted-Guggenheim-Scatchard

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định HSCB đã được nghiên cứu bao gồmhai nhóm lớn là phương pháp tính toán lí thuyết và phương pháp thực nghiệm

1.2.1 Phương pháp tính toán lí thuyết

Phương pháp tính toán lí thuyết là nhóm phương pháp sử dụng các mô hìnhtoán học để mô tả các đặc điểm của hệ hóa học Nhóm phương pháp này thườngkhông cần mô tả mẫu phân tích và các điều kiện thực nghiệm nghiêm ngặt Độchính xác của phương pháp này phụ thuộc vào mô hình hệ lựa chọn cho quá trìnhtính toán

Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã xây dựng các phần mềm tính toánobital phân tử và cơ học lượng tử Các chương trình này đều tính lặp đến khi giá trịthu được đạt độ hội tụ cần thiết Tuy nhiên, do các phương trình mô tả hệ được xuấtphát hoàn toàn từ cơ sở lí thuyết nên các kết quả vẫn có sự sai lệch đáng kể so vớigiá trị thực nghiệm Khó khăn nhất trong phương pháp tính toán lí thuyết là mô tả

sự solvat hóa giữa chất tan và dung môi Điều này dẫn đến các mô hình toán họcphức tạp và khó khăn trong việc giải nghiệm Tuy vậy, điểm thuận lợi của phươngpháp tính toán lí thuyết là có thể tính toán cho hệ hóa học bất kì và kết quả tính toán

có khả năng định hướng cho các nghiên cứu trong thực tế

Hiện nay, phương pháp tính hóa học lượng tử ab initio và phương pháp cơ

học lượng tử bán kinh nghiệm là các phương pháp tính toán lí thuyết hay được sử

dụng

1 Phương pháp tính hóa học lượng tử ab initio

(a) Nguyên tắc: Thuật ngữ tính toán ab initio được hiểu là các quá trình tính

toán được thực hiện thuần túy trên cơ sở toán học kết hợp với lí thuyết cơ học lượng

tử mà không sử dụng bất kì một dữ liệu thực nghiệm nào làm các thông số đầu vào

Cơ sở của phương pháp ab initio để tính Ka là dựa vào phương trình quenthuộc G T o RT.lnK cho cân bằng phân li của acid ứng với giá trị Ka a Trong đó

- Tối ưu hóa cấu trúc (hay tối ưu hóa năng lượng) đối với các cấu tử acid vàbase liên hợp ở mức lí thuyết B3LYP/6-31G(d) Trong đó thường sử dụng phươngpháp phiếm hàm mật độ với phiếm hàm tương quan trao đổi B3LYP và bộ hàm cơ

sở 6-31G(d)

- Tính chính xác năng lượng điểm đơn cho mỗi cấu trúc thu được ở bước 1bằng việc sử dụng bộ hàm cơ sở cực lớn cc-pVTZ(+)

- Tính năng lượng Gibbs cho mỗi cấu tử, từ đó tính G T o cho cân bằng trong

dung dịch nước ở nhiệt độ T Thường tính toán với giá trị T = 298,15 K Năng

lượng Gibbs cho mỗi cấu tử (ở pha khí) tính theo hệ thức:

B

lnln

Trong đó, Uo là nội năng của cấu tử ở 0 K (giá trị này nhận được khi giải phương

trình Schrodinger); kB là hằng số Boltzmann; Z là tổng trạng thái của hệ (là một hàm

của cấu hình phân tử, tần số dao động và nhiệt độ), tất cả các hàm này đều được tính

từ lí thuyết cơ bản của nhiệt động lực học thống kê) Lưu ý: Nếu phân tử có nhiềucấu hình tương đối khác biệt về năng lượng, phải tính giá trị năng lượng trung bìnhdựa theo phần trăm đóng góp của mỗi cấu hình Sau khi tính toán các đại lượngnhiệt động liên quan sẽ thu được năng lượng tự do Gibbs của từng cấu tử trong hệ

và từ đó tính được HSCB

(b) Tình hình nghiên cứu: Phương pháp ab initio được bắt đầu được nghiên

cứu khoảng những năm 1970 và nhanh chóng phát triển Năm 1998, Gerrit S và cáccộng sự đã sử dụng mô hình phân cực dung môi liên tục và các tham số Hartree-Fock để tính toán lí thuyết HSCB cho 16 acid béo Tiếp đến năm 2000, Clarissa O

S và các cộng sự đã sử dụng phương pháp tính toán ab initio để tính toán HSCB

cho một số alcohol béo, thiol và dẫn xuất halogen của carboxylic acid và đã chocác kết quả khá gần với giá trị thực nghiệm

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, các nhà hóa học líthuyết đã tiếp tục phát triển các phương pháp tính toán trước đây thành các tính toánlượng tử phức tạp dựa trên các mô phỏng gần với thực tế hơn Các phương pháphiện đại đang được thực hiện như phương pháp phiếm hàm mật độ hoặc mô hìnhphân tử lượng tử tương tự Kết quả là hàng loạt các HSCB đã được tính toán nhưcarboxylic acid, aniline, phenol và Dimethoxy Pyrimidine salixylic acid thuộc nhómthuốc diệt cỏ Các giá trị này đã được kiểm tra dựa vào phương trình Hammet vàcho thấy có độ tin cậy cao

2 Phương pháp cơ học lượng tử bán kinh nghiệm

(a) Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên sự tính toán giống như phương

pháp ab initio nhưng có sử dụng nhiều sự gần đúng và lấy thông tin từ các dữ liệu

thực nghiệm Từ các thông số thực nghiệm đã biết của một lượng lớn các cấu tửquen thuộc (phân tử, ion), tiến hành tính toán cơ học lượng tử để nhận được cácthông số mong muốn đối với cấu tử nghiên cứu

(b) Tình hình nghiên cứu: Trên cơ sở của một số thông số thực nghiệm, Mario.

J C và các cộng sự đã tiến hành tính toán HSCB cho một số phenol, carboxylicacid và alcohol theo phương pháp tính toán lượng tử bán kinh nghiệm và cũng đãthu được các kết quả khá tốt

3 Ưu điểm và hạn chế của nhóm phương pháp tính toán lí thuyết

Các phương pháp tính toán lí thuyết được coi như là phương pháp đối chứng

và định hướng cho các phương pháp thực nghiệm Thậm chí, trong một số trườnghợp khó tiến hành các thực nghiệm thì có thể sử dụng kết quả gần đúng từ sự tínhtoán lí thuyết

Tuy nhiên, các kết quả tính toán lí thuyết chỉ là gần đúng và có sự sai khácđáng kể so với giá trị thực nghiệm Hạn chế này là do mô hình của hệ chưa mô tảđược hết các tương tác như trong hệ thực

1.2.2 Phương pháp thực nghiệm

Hiện nay, các thông số nhiệt động nói chung và các HSCB acid-base nói riêng

có trong các bảng tra cứu đều là các dữ liệu thực nghiệm Do đó, các phương phápthực nghiệm được tập trung nghiên cứu, phát triển và vẫn đang được cải tiến ápdụng HSCB acid có thể được xác định bởi các phương pháp thực nghiệm sau:

1 Phương pháp chuẩn độ điện thế

(a) Nguyên tắc: Chuẩn độ điện thế là quá trình theo dõi sự thay đổi của thế (E)

theo thể tích chất chuẩn thêm vào dung dịch phân tích bằng cách sử dụng hệ điệnhóa với điện cực làm việc thuận nghịch với ion H+, trong đó phổ biến nhất hiện nay

là điện cực thủy tinh Thế của hệ có liên quan trực tiếp đến pH nên có thể theo dõi

sự thay đổi pH theo thể tích chất chuẩn thêm vào dung dịch nghiên cứu Việc xác

định Ka cũng như tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước của phương pháp chuẩn

độ điện thế sẽ được mô tả chi tiết ở mục 1.3

(b) Ưu điểm và hạn chế: Phương pháp chuẩn độ điện thế có thể xác định được

HSCB của rất nhiều chất với khoảng nồng độ và nhiệt độ rộng, cách tiến hành đơngiản và chi phí thấp cũng như xác định được HSCB trong nhiều hệ dung môi khácnhau nên phương pháp này đang là sự lựa chọn hàng đầu cho các nghiên cứu về xácđịnh các thông số nhiệt động Tuy nhiên, do khoảng pH bị giới hạn và cần thiếtphải có hóa chất tinh khiết nên phương pháp này bị hạn chế trong việc xác địnhHSCB của một số chất

2 Phương pháp vol-ampe

(a) Nguyên tắc: Trong phương pháp vol-ampe, tiến hành thay đổi thế áp vào

dung dịch phân tích và đo dòng điện Khi thế đạt giá trị thế khử của chất phân tích

thì dòng tăng đột ngột Để xác định Ka, chất nghiên cứu được phân tích ở một pHứng với thành phần của dung dịch là hệ đệm Bằng phép đo vol-ampe, nồng độ của

một dạng (hoặc cả hai dạng) được xác định Từ đó sẽ xác định được giá trị Ka tươngứng với thành phần của hệ đệm

(b) Tình hình nghiên cứu: Đây là phương pháp chủ yếu để phân tích hàm

lượng các chất có tính oxi hóa khử áp dụng cho các mẫu sinh học, môi trường, …nên việc ứng dụng xác định HSCB không phổ biến Năm 1990, Kenji K và cáccộng sự đã áp dụng để xác định HSCB cho các pyroloquinoline quinone trong dungdịch nước Điều đáng nói ở đây là các tác giả đã xác định được đồng thời các HSCBcủa dạng oxi hóa và dạng khử Năm 2014, Angelica M D và các cộng sự cũng xácđịnh được HSCB của 4-hydroxyl-N-(2-hydroxyetyl) butanamide khi nghiên cứu cấutrúc và đánh giá hàm lượng chất này Kết quả này cũng đã được đối chứng và có sựphù hợp với kết quả tính toán lượng tử

(c) Ưu điểm và hạn chế: Phương pháp vol-ampe là phương pháp rất nhạy, có

thể đo được chính xác các mẫu ở nồng độ rất nhỏ nên ít tốn mẫu Hơn nữa, phương

pháp này có thể xác định Ka cho các dạng oxi hóa khử khác nhau của cùng một cấu

tử Tuy nhiên, kết quả của phép đo bị ảnh hưởng mạnh bởi thành phần nền và sự ổnđịnh về điện áp của hệ nên độ lặp thường không cao Hơn nữa, phương pháp vol-

ampe chỉ xác định được Ka cho các chất có tính chất điện hóa ở một khoảng thế phùhợp và cũng cần thêm phương pháp khác để xác định pH của dung dịch nghiên cứunên tốn nhiều thời gian phân tích

3 Phương pháp đo độ dẫn điện

(a) Nguyên tắc: Việc xác định các HSCB của acid theo phương pháp đo độ

dẫn điện dựa trên giả thiết là coi các chất điện li yếu phân li hoàn toàn trong dung

dịch vô cùng loãng Độ dẫn điện của dung dịch (Ʌc) do tất cả các ion mang điện

trong dung dịch gây ra và sẽ đạt đến giá trị độ dẫn điện giới hạn (Ʌ0) khi dung dịch

là lí tưởng vô cùng loãng Khi đó, mối quan hệ giữa phân số nồng độ (α) với các giá

dung dịch NaCl theo biểu thức sau: Ʌ0(HA) = Ʌ0(NaA) + Ʌ0(HCl) - Ʌ0(NaCl).

Hằng số cân bằng nồng độ sẽ tính trực tiếp từ phân số nồng độ bằng cách sử

dụng phương trình pha loãng của Ostwald (với C là nồng độ chất phân tích):

Nếu tiến hành với một dãy phép đo độ dẫn điện ở các lực ion khác nhau thì ta

có thể dễ dàng ngoại suy giá trị HSCB ở lực ion I = 0

(b) Tình hình nghiên cứu: Do phương pháp đo độ dẫn bị ảnh hưởng bởi tất cả

các ion trong dung dịch nên chỉ có một số ít nghiên cứu thực hiện theo phương phápnày Năm 2008, Gemma G và các cộng sự đã tiến hành xác định HSCB của 10muối của aniline bằng phương pháp đo độ dẫn ở lực ion nhỏ Các kết quả đã đượcđối chiếu với phương pháp chuẩn độ điện thế và nhận thấy có sự phù hợp tốt

(c) Ưu điểm và hạn chế: Ưu điểm của phương pháp này là không cần biết pH

của dung dịch nên có thể xác định Ka trong bất kì dung môi nào, thời gian đo nhanh

và độ chính xác cao (độ lệch chuẩn của pKa khoảng ± 0,01 đến ± 0,03 đơn vị) Tuy nhiên, do độ dẫn điện phụ thuộc vào nồng độ của tất cả các ion trong

dung dịch, việc xác định Ka theo phương pháp này đòi hỏi hóa chất phải rất tinhkhiết, kể cả nước cất để pha dung dịch

4 Phương pháp điện di

(a) Nguyên tắc: Trong phương pháp điện di, các cấu tử mang điện được phân

tách nhờ di chuyển với tốc độ khác nhau trong điện trường Tốc độ di chuyển củacác cấu tử phụ thuộc vào mật độ điện tích ion (kích thước và điện tích ion) Độ linh

động điện di của cấu tử i (m i ) liên hệ với tốc độ di chuyển (V i) và cường độ từ

trường (E) theo biểu thức sau: i V i

m E

 Dựa vào sự khác nhau giữa độ linh động của

cặp acid-base liên hợp có thể xác định Ka của cân bằng phân li do độ linh động cómối liên hệ với độ điện li như sau: m eff  (1 ).m0.md Trong đó, m0 là độ linh

động của dạng acid (m0 = 0 nếu cấu tử không mang điện), md là độ linh động của

dạng base liên hợp và m eff là độ linh động hiệu dụng của hệ

(b) Tình hình nghiên cứu: Đây là phương pháp được phát triển rất sớm với ưu

điểm nổi bật là thời gian phân tích nhanh Nhiều chất đã được xác định HSCB nhờ quá

trình điện di mao quản như các amino acid, β-lactam , phosphocreatine và creatine

Tuy nhiên, do tất cả các ion đều tham gia vào quá trình dẫn điện nên chỉ cần sự thayđổi nhỏ của nồng độ các ion sẽ dẫn đến sai lệch HSCB

(c) Ưu điểm và hạn chế: Phương pháp điện di có một số ưu điểm: (i) Lượng

chất nghiên cứu rất nhỏ, giới hạn phát hiện có thể đạt 10-6 M Điều này có ý nghĩa

quan trọng đối với việc nghiên cứu các chất hữu cơ ít tan trong nước; (ii) Hóa chất

không cần độ tinh khiết quá cao do điện di cũng là một phương pháp tách Do đó,

không cần biết chính xác nồng độ ban đầu của chất phân tích; (iii) Thời gian thực

hiện các phép đo khá nhanh

Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là cần chuẩn bị các dung dịch đệm

có pH xác định để đo và do tất cả các ion đều tham gia vào quá trình điện di nênphải chọn thành phần hệ đệm rất cẩn thận để tránh các tương tác của hệ đệm vớichất nghiên cứu tạo thành các chất phụ Chính điều này làm hẹp phạm vi ứng dụngcủa phương pháp điện di

5 Phương pháp đo quang vùng tử ngoại, khả kiến (UV-Vis)

(a) Nguyên tắc: Yêu cầu của phép đo quang UV-Vis là phân tử chất phân tích

phải có các bước chuyển năng lượng tương ứng với năng lượng vùng UV-Vis vàphổ UV-Vis của dạng acid và base liên hợp của chất đó phải khác nhau Khi đó, tạicặp bước sóng bất kì ở vùng UV-Vis mà chất phân tích hấp thụ đều có thể dùng để

xác định Ka (trừ điểm đẳng quang) Tuy nhiên, nên chọn bước sóng sao cho hệ sốhấp thụ mol phân tử của hai dạng khác nhau càng lớn càng tốt Hiện nay, phươngpháp này được cải tiến bằng cách đo độ hấp thụ quang ở hai bước sóng khác nhauứng với mỗi giá trị pH Tính tỉ lệ độ hấp thụ tại hai bước sóng theo pH và xác định

Ka tại điểm uốn Nếu dung dịch phân tích không có màu thì có thể thêm chỉ thị acidbase để tạo màu cho dung dịch đo

được nghiên từ năm 1900 nhờ quá trình đo độ hấp thụ quang của dung dịch nghiêncứu theo pH được duy trì bởi hệ đệm Những năm gần đây, trong lĩnh vực y dược và

sinh học cũng sử dụng phương pháp này để nghiên cứu xác định Ka cho loạt các dẫnxuất của phenol , các chất kháng sinh họ tetracycline , các chất hoạt động sinh học

và rất nhiều dược phẩm khác

(c) Ưu điểm và hạn chế: Ưu điểm của phương pháp đo quang UV-Vis là cách

tiến hành và thiết bị đơn giản, chi phí thấp và phép đo được thực hiện nhanh Tuynhiên, phương pháp này chỉ áp dụng đối với các chất hấp thụ bức xạ vùng UV-Vis vàkết quả đo bị ảnh hưởng bởi nhiều cấu tử phụ trong hệ hoặc của nguồn sáng lạc, bức

xạ không đơn sắc

6 Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân

từ hạt nhân (NMR) được ứng dụng để xác định vị trí của cặp acid-base liên hợpbằng cách giảm thấp nhiệt độ trong thời gian đo NMR và thu được hai pic riêng rẽ(ví dụ đối với HA và A-) Sau này, mở rộng việc nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới

độ dịch chuyển hóa học của các cấu tử, người ta đo NMR của dung dịch chất nghiên

cứu theo pH và từ đó xác định được Ka của chất phân tích Ví dụ với dung dịch acid

HA thì HSCB phụ thuộc vào pH và độ dịch chuyển hóa học theo mối quan hệ sau:

-

-obs A a

HA A

p pH lg 



Trong đó: HA và A - lần lượt là độ chuyển dịch hóa học của dạng HA và A-; obs

là độ chuyển dịch hóa học trung bình của dung dịch chứa cả HA và A-

(b) Tình hình nghiên cứu: Do phương pháp NMR chủ yếu để xác định cấu trúc

của các chất nên việc ứng dụng xác định HSCB còn chưa được phổ biến Năm

2007, Sandra B và các cộng sự đã sử dụng phương pháp chuẩn độ NMR (cùng vớicác phương pháp khác) để xác định hằng số cho một số dược phẩm và cũng đã thuđược các kết quả khả quan

(c) Ưu điểm và hạn chế: Phương pháp NMR là có thể đo với các mẫu không

tinh khiết vì chỉ cần xác định tỉ lệ nồng độ các dạng chứ không xác định nồng độtừng dạng Với các chất polyacid có các pic không chồng lên nhau thì có thể xác

định được Ka Điều này thuận lợi để xác định HSCB cho các acid có HSCB gầnnhau Hơn nữa, phương pháp NMR có thể đo cho các nguyên tố khác nhau như H1,

C13, P13 nên có thể xác định HSCB cho các phân tử phức tạp Hạn chế ở đây là cần

kết hợp thêm phương pháp khác để xác định pH nên việc xác định Ka thường phứctạp và mất nhiều thời gian Hơn nữa, trong quá trình phân tích phổ NMR cần thêmchất nội chuẩn, chất này sẽ ảnh hưởng tới cân bằng phân li acid-base nên ảnh hưởng

đến độ chính xác của phép xác định Ka

7 Phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao

(a) Nguyên tắc: Đối với sắc kí pha đảo, hệ số dung lượng (k) có liên hệ với độ

điện li của chất điện li yếu theo biểu thức sau: k = (1-α).k0 + α.k-1 (1.16)

Trong đó, k0 và k-1 là các hệ số dung lượng của phân tử trung hòa và cấu tử ở dạng

ion (thông thường k0 >> k -1 ) Bằng thực nghiệm, xác định được sự phụ thuộc của k

vào pH Từ đó có thể đánh giá được HSCB của các chất có tính acid-base

(b) Tình hình nghiên cứu: Việc ứng dụng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng

cao vẫn còn hạn chế do phương pháp này thường sử dụng chất rửa giải là hỗn hợpdung môi (trong đó thường là dung môi hữu cơ) Tuy nhiên, việc xác định HSCBcũng đã được một số tác giả thực hiện Theo Jancic B và các cộng sự, HSCB củapramipexole và 2-amino thiazole có thể được xác định từ chất không tinh khiết nhờtách trên cột C8 và C18 khi rửa giải bằng dung môi acetonitrile Hay tác giả trong đã

sử dụng sắc kí lỏng để xác định HSCB của một số dược phẩm họ macrolide

(c) Ưu điểm và hạn chế: Ưu điểm của phương pháp là mẫu không cần tinh

khiết do sắc kí lỏng cũng là một phương pháp tách hiệu quả Tuy nhiên, hạn chế củaphương pháp này là khoảng pH đo không được rộng vì khi thay đổi lớn pH củadung dịch nghiên cứu sẽ làm thay đổi khả năng tách của cột sắc kí Hơn nữa, dungmôi rửa giải thường là hỗn hợp dung môi nên ít xác định HSCB trong nước

8 Phương pháp đo độ tan

(a) Nguyên tắc: Cơ sở của phương pháp đo độ tan có thể được mô tả như sau

đối với acid hai nấc: S = [H2A] + [HA-] + [A2-]

Với Y, X là các đại lượng đo được từ thực nghiệm Trong đó, Y là độ tan của chất

phân tích ở các pH khác nhau được đo từ nồng độ của chất đó trong dung dịch bãohòa (sử dụng phương pháp đo quang hoặc phương pháp sắc kí) Tiến hành hồi quy

tuyến tính theo nguyên lí bình phương tối thiểu để xác định a1, a2, a3 từ đó tính được

các giá trị Ka tương ứng

(b) Tình hình nghiên cứu: Phương pháp đo độ tan cũng đã được nghiên cứu từ

lâu Năm 1982, Ingfried Z đã đề xuất phương pháp đo độ tan để xác định HSCBcho một số dược phẩm như sulfadiazine, pyrazolic acid, lysuride hydrogen maleate

Số liệu thực nghiệm được xử lí theo nguyên lí bình phương tối thiểu Những nămsau đó, ông tiếp tục nghiên cứu xác định HSCB cho các dược phẩm khác như quytrình đã xây dựng và đã xác định thành công cho nhiều chất

Hiện nay, phương pháp đo độ tan vẫn được sử dụng để xác định HSCB chomột một số họ dược phẩm

chất có độ tan nhỏ (cỡ μM) mà vẫn đảm bảo độ chính xác Tuy nhiên, do cần xác định nồng độ và đo pH bằng các phương pháp khác nên việc xác định Ka theophương pháp đo độ tan khá phức tạp, tốn nhiều thời gian và mắc nhiều sai số

9 Phương pháp động học

học là đo tốc độ phản ứng của acid-base theo giá trị pH của dung dịch Phương phápnày đã được Bunnet J F và các cộng sự nghiên cứu khá bài bản và áp dụng mộtcách có hệ thống cho một số acid-base Cơ sở của phương pháp này là phản ứnggiữa thiophenoxide với 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene để tạo thành sản phẩm màu cóthể dễ dàng theo dõi bằng phương pháp đo quang:

Tốc độ của phản ứng này được xác định bằng sự phân li của thiophenol để tạo

ra các ion tự do và sự phân li này được điều khiển bằng cách thay đổi nồng độ H+

Khi xác định được hằng số phân li của thiophenol, tiến hành phản ứng trong

dung dịch đệm chứa chất phân tích cần xác định Ka Sau khi xác định được pH của

hệ sẽ tính được Ka của chất phân tích dựa vào thành phần đã biết của hệ đệm

(b) Tình hình nghiên cứu: Đây là phương pháp được biết đến từ giữa thế kỉ

XX nhờ việc nghiên cứu tốc độ phản ứng Bunnet J F và các cộng sự đã nghiêncứu xác định HSCB của nhiều acid như thiophenol, acetic acid, chloroacetic acid,pyridine, N-methylpiperidine trong methanol

(c) Ưu điểm và hạn chế: Phương pháp động học có ưu điểm là không yêu cầu

biết chính xác pH của dung dịch vì giá trị pH có mối liên hệ trực tiếp với thành

phần của chất phân tích, nồng độ của thiolphenoxide và các giá trị pKa có thể đượcxác định bằng các phép đo từng điểm Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp vềcách tiến hành và cách đo nên ít được áp dụng

Ngoài các phương pháp đã kể trên còn một số phương pháp có thể áp dụng đểxác định được HSCB cho các acid-base như phương pháp huỳnh quang, phươngpháp đo nhiệt lượng, phương pháp đo độ quay cực, phương pháp đo sức căng bềmặt, phương pháp phổ khối, … Tuy nhiên các phương pháp này rất ít được sửdụng do sự phức tạp của các tiến hành và vận hành thiết bị

Từ những tìm hiểu ở trên cho thấy có rất nhiều phương pháp thực nghiệm xácđịnh HSCB acid-base Mỗi phương pháp có những ưu điểm nổi bật nhưng cũng cónhững hạn chế làm giảm phạm vi ứng dụng của phương pháp Tuy nhiên, với mongmuốn xác định HSCB trong pha nước ở khoảng pH khá rộng với cách tiến hành đơngiản, thời gian phân tích nhanh, thiết bị đơn giản và chi phí thấp thì phương phápchuẩn độ điện thế tỏ ra là ưu thế hơn các phương pháp khác Do đó, trong luận ánnày, chuẩn độ điện thế là phương pháp được lựa chọn

1.3 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ĐIỆN THẾ

Khi tiến hành chuẩn độ điện thế thì phải thiết lập một pin điện hóa gồm điệncực so sánh và điện cực chỉ thị Đối với phép đo pH, điện cực chỉ thị phổ biến nhấthiện nay là điện cực thủy tinh

1.3.1 Cấu tạo và hoạt động của điện cực thủy tinh

Về mặt cấu tạo, điện cực thủy tinh trước kia được chế tạo riêng rẽ với điện cực so

sánh (Hình 1.1a), còn ngày nay, điện cực thủy tinh được chế tạo ở dạng kết hợp

(Hình 1.1b).

Hình 1.1 Cấu tạo của điện cực thủy tinh

Điện cực thủy tinh kết hợp bao gồm cả điện cực chỉ thị và điện cực so sánh

Ag, AgCl (điện cực ngoài) Phần điện cực chỉ thị (điện cực trong) cũng chứa dây

Ag nhúng vào dung dịch HCl 0,1 M được bão hòa AgCl Điện cực thủy tinh dạngnày có kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng và bảo quản

Về mặt hoạt động, điện cực thủy tinh hoạt động theo nguyên tắc của điện cựcmàng trao đổi ion Phản ứng trên bề mặt của màng thủy tinh được mô tả như sau:

TT-Na + H+  TT-H + Na+

Do hoạt độ ion H+ của dung dịch trong là cố định nên khi thay đổi hoạt độ ion

H+ của dung dịch ngoài sẽ làm thay đổi thế màng của điện cực thủy tinh và do đó sẽlàm thay đổi thế của hệ điện hóa

Về mặt điện hóa, ở điện cực thủy tinh xuất hiện các loại thế sau:

- Thế màng thủy tinh (Eb): Thế này xuất hiện do sự chênh lệch thế ở màng thủy tinhtrong và màng thủy tinh ngoài Do hoạt độ của ion H+ ở dung dịch trong là cố định

nên thế Eb chỉ phụ thuộc chủ yếu vào hoạt độ H+ của dung dịch nghiên cứu

- Thế bất đối (Easy): Thế bất đối xuất hiện do sự khác nhau của màng trong và màngngoài của thủy tinh gây ra bởi quá trình chế tạo và sử dụng điện cực Thế này có thểloại bỏ nhờ quá trình chuẩn hóa máy hằng ngày

- Thế điện cực thủy tinh (Eglas): Thế điện cực thủy tinh được tổ hợp từ các giá trị thế

Eb, Eays và các giá trị thế của điện cực so sánh trong và ngoài

1.3.2 Nguyên tắc của chuẩn độ điện thế

Thiết lập hệ chuẩn độ như Hình 1.2

trong đó điện cực sử dụng là điện cực

thủy tinh kết hợp Thêm chính xác từng

thể tích dung dịch chuẩn từ buret vào

dung dịch nghiên cứu Khuấy cho hệ đạt

trạng thái cân bằng rồi ghi lại giá trị pH

Dữ liệu thu được từ quá trình chuẩn độ

điện thế dùng để tính toán HSCB và tính

thể tích tại ĐTĐ (theo phương pháp giải

tích hoặc phương pháp đồ thị)

Hình 1.2 Sơ đồ chuẩn độ điện thế

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuẩn độ điện thế

1 Ảnh hưởng của CO 2 trong khí quyển

Trong khí quyển, CO2 chiếm khoảng 0,04% về thể tích nên có khả năng gâyảnh hưởng tới kết quả chuẩn độ điện thế Đối với các chất nghiên cứu có tính acidyếu và thời gian phép chuẩn độ kéo dài thì pH của dung dịch nghiên cứu bị ảnhhưởng bởi các cân bằng :

CO2(g)  CO2(aq) KH = 10-1,48

CO2(aq) + H2O  HCO3- + H+ Ka1 = 10-6,35

HCO3-  CO32- + H+ Ka2 = 10-10,33

Khi chuẩn độ trong vùng acid thì khí CO2 ít ảnh hưởng Tuy nhiên khi chuẩn

độ sang vùng base (đặc biệt là khi pH > 9) thì CO2 sẽ bị hấp thụ vào dung dịch vàtác dụng với kiềm, làm ảnh hưởng tới giá trị pH thực nghiệm

Hơn nữa, khí CO2 cũng làm thay đổi nồng độ dung dịch kiềm khi bảo quảntrong phòng thí nghiệm Vì lí do đó, khi chuẩn độ điện thế cần bảo quản cẩn thậndung dịch kiềm và tạo khí quyển trơ trên bề mặt dung dịch phân tích trong suốt thờigian chuẩn độ để hạn chế ảnh hưởng của khí CO2

2 Ảnh hưởng của lực ion và môi trường ion

Trong quá trình chuẩn độ, nồng độ của các ion thay đổi liên tục, do đó làm

thay đổi lực ion Để tính chính xác HSCB cần biết giá trị của lực ion I, vì vậy cần

phải duy trì lực ion ổn định trong suốt quá trình chuẩn độ bằng cách sử dụng chấtđiện li trơ với nồng độ lớn hơn nhiều so với nồng độ nghiên cứu

Các nghiên cứu cho thấy, việc dùng các chất điện li trơ khác nhau thì mức độảnh hưởng tới điện cực thủy tinh là khác nhau Do đó việc lựa chọn môi trường ionphù hợp là điều quan trọng và cần được xem xét chi tiết

3 Ảnh hưởng của ion kim loại kiềm đến điện cực thủy tinh

Màng của điện cực thủy tinh được chế tạo từ loại thủy tinh đặc biệt có khảnăng trao đổi tốt các cation, đặc biệt là các ion kiềm có điện tích +1 Do đó, phép đo

pH được thực hiện trong môi trường có ion kim loại kiềm (M+) sẽ bị ảnh hưởngđáng kể bởi sai số kiềm và sai số acid

 Sai số kiềm:

Trong dung dịch chứa ion M+, màng thủy tinh tương tác với cả ion H+ và ion

M+ Do đó, các ion kim loại kiềm gây nên sai số cho điện cực thủy tinh, sai số nàygọi là sai số kiềm Khi nồng độ ion kim loại kiềm lớn, giá trị pH đo được thườngthấp hơn giá trị thực của nó

Để hiệu chỉnh ảnh hưởng của ion M+ tới thế của màng thủy tinh có thể đưathêm hệ số chọn lọc của ion M+ vào biểu thức tính thế màng thủy tinh Eb như sau:

có thể nguyên nhân chính là do bề mặt màng thủy tinh đã hấp phụ bão hòa ion H+

nên khi tăng nồng độ H+ thì sự hấp phụ không đáng kể nữa và do đó điện cực thủytinh cũng không phản ứng lại với việc tăng H+

4 Ảnh hưởng của quá trình sử dụng điện cực thủy tinh

Khi sử dụng điện cực thủy tinh trong một thời gian dài sẽ xảy ra các biến đổitrên bề mặt màng thủy tinh (bị trầy xước, mài mòn) làm giảm độ chọn lọc, độ nhạycủa phép đo và điện cực sẽ trở nên “trơ” Hơn nữa, nếu bảo quản điện cực không tốt

có thể xảy ra quá trình đêhiđrat hóa dẫn đến khô bề mặt điện cực và giảm khả nănghoạt động của điện cực thủy tinh

Để khắc phục hiện tượng này cần ngâm điện cực thủy tinh liên tục trong dungdịch KCl và phải chuẩn hóa lại điện cực thường xuyên theo định kì Nếu quan sátthấy điện cực không nhạy với sự thay đổi pH thì phải thay thế điện cực

5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Các đại lượng nhiệt động luôn phụ thuộc vào nhiệt độ , do đó, để xác địnhchính xác HSCB của các acid-base cần biết rõ nhiệt độ thực nghiệm Hơn nữa, thế

của điện cực thủy tinh cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Vì vậy, trong thí nghiệmchuẩn độ điện thế các dung dịch acid-base cần tiến hành trong điều kiện nhiệt độ ổnđịnh nhờ thiết bị điều nhiệt.

1.3.4 Tình hình nghiên cứu xác định hằng số cân bằng theo phương pháp chuẩn độ điện thế

Phương pháp chuẩn độ điện thế đã được sử dụng từ những năm đầu của thế kỉ

XX với xuất phát điểm là đo thế của hệ đệm chứa đơn acid và muối của acid đó vớinồng độ bằng nhau Nghiên cứu này được Bos M và Lengton W thực hiện trongcác dung môi khác nhau như nước, dimethyl sulfoxide và N,N-dimethyl formamide

để xác định HSCB cho một số dẫn xuất của phenol, một số carboxylic acid (nhưacetic acid, benzoic acid, salicylic acid) Việc tính toán dựa vào phương trìnhNernst khi đo thế của dung dịch chỉ chứa acid và thế của dung dịch đệm Tuy nhiên,

việc chấp nhận độ điện li α của đơn acid trong dung dịch không đáng kể là một giả

sử gần đúng và không áp dụng tổng quát cho tất cả các đơn acid

Sau này, việc cải tiến phương pháp đo thế thành chuẩn độ điện thế đã mở rộngphạm vi nghiên cứu cho cả các đa acid Theo hướng này, rất nhiều các nghiên cứu

đã được thực hiện để xác định HSCB cho các acid như các phenol, salicylic acid , aminoquinoline , các hợp chất có hoạt tính sinh học như neamin , urocanic acid ,benzoic acid , nhiều loại dược phẩm như các sulfonamide, tetracycline, quinolone,

8-macrolide, β-lactam , các anilinium , các dẫn xuất của phenol, carboxylic acid , các

amino acid , các amine …trong nước hoặc hỗn hợp gồm nước và dung môi hữu cơnhư tetrahydrofuran , methanol , ethanol , dimethyl sulfoxide, N,N-dimethylformamide , acetonitrile , dioxane Tuy nhiên, đối với các acid phân li khá mạnh thìviệc chuẩn độ điện thế xác định HSCB đã mắc phải sai số khá lớn do ngay từ dungdịch ban đầu, acid hầu như đã phân li hết Do đó, cần phải cải tiến kĩ thuật chuẩn

độ để việc xác định HSCB của các acid này chính xác hơn

Về phương pháp tính toán, các nghiên cứu trước đây thường xử lí số liệuthực nghiệm theo hai cách sau:

- Lập các chương trình tính lặp sử dụng các ngôn ngữ như WG-Basic , Pascal, Titfit , Hyperquard, Stat, Best , Matlab Cách tính toán này tỏ ra tối ưu cho cácđơn acid hoặc các đa acid có khả năng chuẩn độ riêng rẽ từng nấc Nhưng khi hệcàng phức tạp (các đa acid không chuẩn độ được riêng rẽ) thì việc viết các chươngtrình rất phức tạp và mất nhiều thời gian do phải lập riêng các chương trình cho các

hệ riêng rẽ

- Sử dụng phương pháp đồ thị hoặc ngoại suy pKa ở các điểm chuẩn độ mộtnửa : Phương pháp này rất tối ưu cho các đơn acid yếu hoặc các đa acid có khả năngchuẩn độ riêng từng nấc Tuy nhiên, đối với đa acid có khả năng chuẩn độ đồng thờicác nấc thì việc tính toán như trên là một sự chấp nhận gần đúng Bởi vì khi chuẩn

độ 50% một nấc nào đó thì các nấc khác cũng đã bị chuẩn độ khá nhiều và pH chịuảnh hưởng bởi đồng thời nhiều cân bằng

Đối với việc phân tích và chọn lựa số liệu thực nghiệm tính toán, hầu hết cácnghiên cứu đều chọn khu vực pH ứng với thành phần hệ nghiên cứu là hệ đệm đểtính toán HSCB Khu vực này là vùng dữ liệu tối ưu nhất cho quá trình tính toán vì

pH của hệ ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Tuy nhiên, các tính toán còn rời rạc,chưa có tính quy luật và các nghiên cứu trước đây chưa chỉ ra được một số điểmquan trọng sau:

- Đối với đa acid, chưa phân tích và dự đoán được các giá trị HSCB chênh lệchnhau nhiều hay ít Nghĩa là chưa đánh giá được khả năng chuẩn độ riêng từng nấc

- Chưa chỉ ra được với mỗi hệ đệm được lựa chọn có khả năng xác định chínhxác được những HSCB nào

- Chưa cải tiến để có khả năng xác định được chính xác hơn các HSCB của