Chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập về dung dịch đệm rất quen thuộc trong chương trình Hóa học lớp 11. Bài toán này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về khả năng duy trì pH của dung dịch đệm khi có sự thay đổi về nồng độ axit hoặc bazơ.

Chúng ta cùng bắt đầu với phần a) nhé.

Phần a) Tính pH của dung dịch A? Biết K = 1,8.10^-5

Đầu tiên, chúng ta cần xác định dung dịch A là loại dung dịch gì.
Dung dịch A gồm hai chất: axit axetic (CH₃COOH) là một axit yếu và natri axetat (CH₃COONa) là một muối của axit yếu và bazơ mạnh. Khi hòa tan CH₃COONa vào nước, nó sẽ phân ly hoàn toàn tạo ra ion CH₃COO^– và ion Na⁺.
Ion CH₃COO^– này chính là bazơ liên hợp của axit axetic. Do đó, dung dịch A là một dung dịch đệm.

Đối với dung dịch đệm chứa axit yếu HA và bazơ liên hợp A^–, chúng ta có thể sử dụng công thức tính nhanh nồng độ ion H⁺ như sau:

\[ \text{[H}^+] = K_a \cdot \frac{C_{axit}}{C_{bazơ liên hợp}} \]

Trong bài toán này:
– Axit yếu là CH₃COOH, nồng độ ban đầu C_axit = 0,1M.
– Bazơ liên hợp là ion CH₃COO^–, có nguồn gốc từ muối CH₃COONa. Vì CH₃COONa phân ly hoàn toàn nên nồng độ của CH₃COO^– cũng là 0,1M. Vậy C_{bazơ liên hợp} = 0,1M.
– Hằng số phân ly axit của CH₃COOH là K_a = 1,8.10^-5.

Bây giờ, chúng ta thay các giá trị vào công thức:

\[ \text{[H}^+] = 1,8 \cdot 10^{-5} \cdot \frac{0,1}{0,1} \]
\[ \text{[H}^+] = 1,8 \cdot 10^{-5} \text{ M} \]

Để tính pH, chúng ta sử dụng công thức:

\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]

Thay giá trị [H⁺] vừa tính được vào:

\[ \text{pH} = -\log(1,8 \cdot 10^{-5}) \]
\[ \text{pH} \approx 4,74 \]

Vậy, pH của dung dịch A là khoảng 4,74.

Phần b) Thêm 0,001mol HCl vào 1 lít dung dịch A thì pH của dung dịch sẽ bằng bao nhiêu?

Khi thêm HCl vào dung dịch đệm, HCl là một axit mạnh sẽ phản ứng với bazơ liên hợp trong dung dịch đệm.
Phương trình phản ứng:
CH₃COO^– + H⁺ -> CH₃COOH

Ban đầu, ta có 1 lít dung dịch A với:
– Số mol CH₃COOH = 0,1 mol
– Số mol CH₃COO^– = 0,1 mol

Ta thêm 0,001 mol HCl. Vì HCl là axit mạnh, nó sẽ phân ly hoàn toàn thành 0,001 mol H⁺.
Ion H⁺ này sẽ phản ứng với ion CH₃COO^–:

Số mol CH₃COO^– ban đầu: 0,1 mol
Số mol H⁺ thêm vào: 0,001 mol

Theo phản ứng, 0,001 mol H⁺ sẽ phản ứng với 0,001 mol CH₃COO^– để tạo ra 0,001 mol CH₃COOH.

Sau phản ứng, số mol các chất trong dung dịch sẽ là:
– Số mol CH₃COOH sau phản ứng = Số mol CH₃COOH ban đầu + Số mol CH₃COOH tạo thành
= 0,1 mol + 0,001 mol = 0,101 mol
– Số mol CH₃COO^– sau phản ứng = Số mol CH₃COO^– ban đầu – Số mol CH₃COO^– đã phản ứng
= 0,1 mol – 0,001 mol = 0,099 mol

Vì thể tích dung dịch vẫn là 1 lít, nên nồng độ các chất sau phản ứng là:
– Nồng độ CH₃COOH (axit) = 0,101 mol / 1 lít = 0,101 M
– Nồng độ CH₃COO^– (bazơ liên hợp) = 0,099 mol / 1 lít = 0,099 M

Bây giờ, chúng ta lại áp dụng công thức tính nồng độ H⁺ cho dung dịch đệm sau khi có sự thay đổi:

\[ \text{[H}^+] = K_a \cdot \frac{C_{axit}}{C_{bazơ liên hợp}} \]

\[ \text{[H}^+] = 1,8 \cdot 10^{-5} \cdot \frac{0,101}{0,099} \]
\[ \text{[H}^+] \approx 1,836 \cdot 10^{-5} \text{ M} \]

Cuối cùng, ta tính pH:

\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1,836 \cdot 10^{-5}) \]
\[ \text{pH} \approx 4,74 \]

Như các em thấy, pH của dung dịch hầu như không thay đổi nhiều, đây chính là đặc tính quan trọng của dung dịch đệm.

Phần c) Thêm 0,001mol NaOH vào 1 lít dung dịch A thì pH của dung dịch sẽ bằng bao nhiêu?

Khi thêm NaOH vào dung dịch đệm, NaOH là một bazơ mạnh sẽ phản ứng với axit yếu trong dung dịch đệm.
Phương trình phản ứng:
CH₃COOH + OH^– -> CH₃COO^– + H₂O

Ban đầu, ta có 1 lít dung dịch A với:
– Số mol CH₃COOH = 0,1 mol
– Số mol CH₃COO^– = 0,1 mol

Ta thêm 0,001 mol NaOH. Vì NaOH là bazơ mạnh, nó sẽ phân ly hoàn toàn thành 0,001 mol OH^–.
Ion OH^– này sẽ phản ứng với CH₃COOH:

Số mol CH₃COOH ban đầu: 0,1 mol
Số mol OH^– thêm vào: 0,001 mol

Theo phản ứng, 0,001 mol OH^– sẽ phản ứng với 0,001 mol CH₃COOH để tạo ra 0,001 mol CH₃COO^–.

Sau phản ứng, số mol các chất trong dung dịch sẽ là:
– Số mol CH₃COOH sau phản ứng = Số mol CH₃COOH ban đầu – Số mol CH₃COOH đã phản ứng
= 0,1 mol – 0,001 mol = 0,099 mol
– Số mol CH₃COO^– sau phản ứng = Số mol CH₃COO^– ban đầu + Số mol CH₃COO^– tạo thành
= 0,1 mol + 0,001 mol = 0,101 mol

Vì thể tích dung dịch vẫn là 1 lít, nên nồng độ các chất sau phản ứng là:
– Nồng độ CH₃COOH (axit) = 0,099 mol / 1 lít = 0,099 M
– Nồng độ CH₃COO^– (bazơ liên hợp) = 0,101 mol / 1 lít = 0,101 M

Tiếp tục áp dụng công thức tính nồng độ H⁺ cho dung dịch đệm:

\[ \text{[H}^+] = K_a \cdot \frac{C_{axit}}{C_{bazơ liên hợp}} \]

\[ \text{[H}^+] = 1,8 \cdot 10^{-5} \cdot \frac{0,099}{0,101} \]
\[ \text{[H}^+] \approx 1,764 \cdot 10^{-5} \text{ M} \]

Cuối cùng, ta tính pH:

\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1,764 \cdot 10^{-5}) \]
\[ \text{pH} \approx 4,75 \]

Tương tự như khi thêm axit, khi thêm bazơ, pH của dung dịch đệm cũng chỉ thay đổi rất ít.

Các em thấy đó, bài toán dung dịch đệm không quá phức tạp nếu chúng ta nắm vững bản chất phản ứng và các công thức liên quan. Chúc các em ôn tập tốt!