Bài học

Chuẩn độ acid–base

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được các bước tiến hành chuẩn độ acid–base, và tính được nồng độ dung dịch chưa biết từ số liệu thể tích thu được ở điểm tương đương.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết phenolphthalein đổi màu rõ rệt tại một khoảng pH hẹp — đúng lúc phản ứng trung hoà vừa đủ xảy ra. Bài này dùng tính chất đó để xây dựng một quy trình đo lường thực tế: chuẩn độ.

Khởi động

Một lọ giấm ăn không ghi nồng độ acid acetic trên nhãn. Làm sao xác định chính xác nồng độ $CH_3COOH$ trong lọ giấm đó, chỉ bằng một dung dịch $NaOH$ đã biết chính xác nồng độ và vài dụng cụ đo thể tích?

Kiến thức trọng tâm

Chuẩn độ acid–base là phương pháp xác định nồng độ một dung dịch acid (hoặc base) chưa biết bằng cách cho nó phản ứng vừa đủ với một dung dịch base (hoặc acid) đã biết chính xác nồng độ, gọi là dung dịch chuẩn. Thời điểm phản ứng vừa đủ — số mol acid bằng đúng số mol base theo tỉ lệ phương trình — gọi là điểm tương đương, được nhận biết bằng sự đổi màu đột ngột của chất chỉ thị.

**Chuẩn độ acid–base** là phương pháp xác định nồng độ một dung dịch acid (hoặc base) chưa biết bằng cách cho nó phản ứng vừa đủ với một dung dịch base (hoặc acid) đã biết chính xác nồng độ, gọi là **dung dịch chuẩn**. Thời điểm phản ứng vừa đủ — số mol acid bằng đúng số mol base theo tỉ lệ phương trình — gọi là **điểm tương đương**, được nhận biết bằng sự đổi màu đột ngột của chất chỉ thị.

Sở dĩ chuẩn độ cho kết quả chính xác là vì gần điểm tương đương, chỉ cần thêm một lượng cực nhỏ dung dịch chuẩn cũng làm pH thay đổi rất nhanh (một hiện tượng gọi là "bước nhảy pH"), nên thời điểm chỉ thị đổi màu gần như trùng khít với thời điểm phản ứng vừa đủ về mặt hoá học. Ngược lại, ở xa điểm tương đương, thêm cùng một lượng dung dịch chuẩn chỉ làm pH thay đổi rất ít — đó là lý do những giọt đầu và giữa quá trình chuẩn độ có thể nhỏ nhanh, còn giọt cuối phải nhỏ thật chậm, từng giọt một.

Dụng cụ chính: buret (ống chia độ có khoá, đựng dung dịch chuẩn, nhỏ giọt chính xác), bình tam giác (đựng dung dịch cần xác định nồng độ, thêm vài giọt chỉ thị). Quy trình gồm các bước: nạp dung dịch chuẩn vào buret và ghi mức đầu; đong chính xác một thể tích dung dịch cần xác định vào bình tam giác, thêm chỉ thị; mở khoá buret nhỏ từ từ dung dịch chuẩn xuống bình, vừa nhỏ vừa lắc đều; quan sát sát sao khi gần tới điểm đổi màu, nhỏ từng giọt chậm lại; dừng ngay khi chỉ thị đổi màu bền trong khoảng 20–30 giây; ghi thể tích dung dịch chuẩn đã dùng.

Dụng cụ chính: **buret** (ống chia độ có khoá, đựng dung dịch chuẩn, nhỏ giọt chính xác), **bình tam giác** (đựng dung dịch cần xác định nồng độ, thêm vài giọt chỉ thị). Quy trình gồm các bước: nạp dung dịch chuẩn vào buret và ghi mức đầu; đong chính xác một thể tích dung dịch cần xác định vào bình tam giác, thêm chỉ thị; mở khoá buret nhỏ từ từ dung dịch chuẩn xuống bình, vừa nhỏ vừa lắc đều; quan sát sát sao khi gần tới điểm đổi màu, nhỏ từng giọt chậm lại; dừng ngay khi chỉ thị đổi màu bền trong khoảng 20–30 giây; ghi thể tích dung dịch chuẩn đã dùng.

Tại điểm tương đương, với phản ứng trung hoà tỉ lệ mol 1:1 (như $HCl + NaOH$ , hay $CH_3COOH + NaOH$ ), số mol hai chất bằng nhau: $C_{acid} \cdot V_{acid} = C_{base} \cdot V_{base}$ . Với phản ứng có tỉ lệ mol khác 1:1 (ví dụ $H_2SO_4 + 2NaOH$ ), cần đưa đúng hệ số vào công thức trước khi tính.

Tại điểm tương đương, với phản ứng trung hoà tỉ lệ mol 1:1 (như $HCl + NaOH$, hay $CH_3COOH + NaOH$), số mol hai chất bằng nhau: $C_{acid} \cdot V_{acid} = C_{base} \cdot V_{base}$. Với phản ứng có tỉ lệ mol khác 1:1 (ví dụ $H_2SO_4 + 2NaOH$), cần đưa đúng hệ số vào công thức trước khi tính.

Chuẩn độ là kỹ thuật định lượng được dùng rộng rãi ngoài phòng thí nghiệm trường học: kiểm nghiệm viên dùng nó để xác định độ chua của giấm, rượu vang, sữa chua trước khi đóng gói (đảm bảo đúng tiêu chuẩn công bố trên nhãn); trạm xử lý nước dùng chuẩn độ để đo độ cứng hoặc hàm lượng chlorine dư; dược sĩ dùng chuẩn độ để kiểm tra hàm lượng hoạt chất acid/base trong thuốc. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào thao tác: đọc thể tích trên buret phải ngang tầm mắt với đáy khum chất lỏng (tránh sai số thị sai), và nên chuẩn độ lặp lại ít nhất hai lần để lấy giá trị trung bình, giảm sai số ngẫu nhiên của từng lần đo.

Ví dụ

Tính nồng độ HCl từ số liệu chuẩn độ

1
Chuẩn độ 20,00 mL dung dịch $HCl$ chưa biết nồng độ bằng dung dịch $NaOH$ 0,10 M, dùng phenolphthalein làm chỉ thị. Khi dung dịch vừa chuyển sang màu hồng bền, thể tích $NaOH$ đã dùng là 15,00 mL. Tính nồng độ $C_M$ của dung dịch $HCl$ .
Chuẩn độ 20,00 mL dung dịch $HCl$ chưa biết nồng độ bằng dung dịch $NaOH$ 0,10 M, dùng phenolphthalein làm chỉ thị. Khi dung dịch vừa chuyển sang màu hồng bền, thể tích $NaOH$ đã dùng là 15,00 mL. Tính nồng độ $C_M$ của dung dịch $HCl$.
2
$HCl + NaOH \to NaCl + H_2O$ , tỉ lệ mol 1:1, nên tại điểm tương đương $n(HCl) = n(NaOH)$ .
$HCl + NaOH \to NaCl + H_2O$, tỉ lệ mol 1:1, nên tại điểm tương đương $n(HCl) = n(NaOH)$.
3
$n(NaOH) = C \cdot V = 0,10 \times 0,01500 = 1,5 \times 10^{-3}$ mol.
$n(NaOH) = C \cdot V = 0,10 \times 0,01500 = 1,5 \times 10^{-3}$ mol.
4
$n(HCl) = n(NaOH) = 1,5 \times 10^{-3}$ mol. $C(HCl) = \dfrac{n}{V} = \dfrac{1,5 \times 10^{-3}}{0,02000} = 0,075\ M$ .
$n(HCl) = n(NaOH) = 1,5 \times 10^{-3}$ mol. $C(HCl) = \dfrac{n}{V} = \dfrac{1,5 \times 10^{-3}}{0,02000} = 0,075\ M$.
5
Vậy nồng độ dung dịch $HCl$ ban đầu là $0,075\ M$ .
Vậy nồng độ dung dịch $HCl$ ban đầu là $0,075\ M$.

Ví dụ

Chuẩn độ acid yếu — xác định nồng độ acetic acid trong giấm ăn

1
Chuẩn độ 10,00 mL mẫu giấm ăn (chứa $CH_3COOH$ ) bằng dung dịch $NaOH$ chuẩn $0,0500\ M$ , dùng phenolphthalein. Điểm tương đương đạt được khi dùng hết 12,00 mL dung dịch $NaOH$ . Tính nồng độ mol của $CH_3COOH$ trong mẫu giấm, và cho biết vì sao vẫn dùng phenolphthalein (không dùng quỳ tím) dù $CH_3COOH$ là acid yếu.
Chuẩn độ 10,00 mL mẫu giấm ăn (chứa $CH_3COOH$) bằng dung dịch $NaOH$ chuẩn $0,0500\ M$, dùng phenolphthalein. Điểm tương đương đạt được khi dùng hết 12,00 mL dung dịch $NaOH$. Tính nồng độ mol của $CH_3COOH$ trong mẫu giấm, và cho biết vì sao vẫn dùng phenolphthalein (không dùng quỳ tím) dù $CH_3COOH$ là acid yếu.
2
$CH_3COOH + NaOH \to CH_3COONa + H_2O$ , tỉ lệ mol 1:1.
$CH_3COOH + NaOH \to CH_3COONa + H_2O$, tỉ lệ mol 1:1.
3
$n(NaOH) = 0,0500 \times 0,01200 = 6,00 \times 10^{-4}$ mol $= n(CH_3COOH)$ .
$n(NaOH) = 0,0500 \times 0,01200 = 6,00 \times 10^{-4}$ mol $= n(CH_3COOH)$.
4
$C(CH_3COOH) = \dfrac{6,00 \times 10^{-4}}{0,01000} = 0,0600\ M$ .
$C(CH_3COOH) = \dfrac{6,00 \times 10^{-4}}{0,01000} = 0,0600\ M$.
5
Tại điểm tương đương, muối $CH_3COONa$ tạo thành làm môi trường có tính base nhẹ (sẽ học rõ ở Chương 5 — sự thuỷ phân của muối), tức $pH$ tương đương lớn hơn 7 một chút — nằm đúng trong khoảng đổi màu của phenolphthalein ( $8,2$ – $10,0$ ). Quỳ tím đổi màu trên một khoảng rộng và mờ, không cho một điểm dừng rõ ràng như phenolphthalein.
Tại điểm tương đương, muối $CH_3COONa$ tạo thành làm môi trường có tính base nhẹ (sẽ học rõ ở Chương 5 — sự thuỷ phân của muối), tức $pH$ tương đương lớn hơn 7 một chút — nằm đúng trong khoảng đổi màu của phenolphthalein ($8,2$–$10,0$). Quỳ tím đổi màu trên một khoảng rộng và mờ, không cho một điểm dừng rõ ràng như phenolphthalein.
6
Vậy nồng độ $CH_3COOH$ trong mẫu giấm là $0,0600\ M$ , và phenolphthalein được chọn vì khoảng đổi màu của nó khớp với $pH$ base nhẹ tại điểm tương đương của phản ứng acid yếu – base mạnh.
Vậy nồng độ $CH_3COOH$ trong mẫu giấm là $0,0600\ M$, và phenolphthalein được chọn vì khoảng đổi màu của nó khớp với $pH$ base nhẹ tại điểm tương đương của phản ứng acid yếu – base mạnh.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm hay gặp: áp dụng công thức $C_1V_1 = C_2V_2$ mà quên kiểm tra tỉ lệ mol phản ứng — công thức này chỉ đúng nguyên dạng khi tỉ lệ mol là 1:1; với $H_2SO_4$ hay $Ba(OH)_2$ phải nhân thêm hệ số đúng theo phương trình. Một lỗi khác: nhầm lẫn "điểm tương đương" (thời điểm số mol phản ứng vừa đủ theo tính toán) với "điểm dừng chuẩn độ" (thời điểm chỉ thị đổi màu, quan sát bằng mắt) — hai điểm rất gần nhau nhưng không tuyệt đối trùng khít, đó là lý do phải chọn chỉ thị có khoảng đổi màu phù hợp với pH tại điểm tương đương.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chuẩn độ dùng dung dịch chuẩn đã biết nồng độ, nhỏ từ buret vào mẫu cần xác định có sẵn chỉ thị, đến khi chỉ thị đổi màu (điểm tương đương). Tại đó, $C_{acid} \cdot V_{acid} = C_{base} \cdot V_{base}$ (nhân đúng hệ số nếu tỉ lệ mol khác 1:1).

Chương tiếp theo giải thích một hiện tượng liên quan trực tiếp: vì sao chuẩn độ $CH_3COOH$ bằng $NaOH$ cho điểm tương đương ở pH base (không phải 7) — đó là do chính muối $CH_3COONa$ vừa tạo thành bị thuỷ phân trong nước.