Axit hóa và trung hòa thực tế: cường độ pH, dung lượng mol H+
Phân biệt cường độ (pH) với dung lượng (mol H+) qua dạ dày, thuốc kháng axit, mỏ pyrite và bón vôi, với động cơ cân bằng điện tích tự chạy.
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC NÂNG CAO
BÍ QUYẾT · AXIT VÀ BAZƠ NGOÀI ĐỜI THỰC
Axit hóa và trung hòa ngoài đời: pH là cường độ , mol mới là dung lượng
Từ dạ dày, viên thuốc kháng axit, mỏ pyrite đến bao vôi bón ruộng: một sổ cái nguồn và bể chứa H + cho bạn thấy vì sao dung dịch pH 3,7 gần như vô hại, vì sao sữa magie không bao giờ làm dạ dày kiềm, và vì sao cần 0,935 g vôi sống để dập axit của 1 g pyrite.
- pH = cường độ
- n = [H + ]·V = dung lượng
- mmol H + /g = sức chứa của bể
- Ksp = trần pH tự giới hạn
200
lần: [H + ] ở pH 1,4 so với pH 3,7
0,02
mmol H + trong 100 mL pH 3,7 (pH 1,4: 4 mmol)
10,35
pH bão hòa của Mg(OH) 2 , không thể cao hơn
0,935
g CaO cho mỗi g pyrite oxi hóa hết
01
Bản chất
pH cho bạn nồng độ, mol cho bạn lượng
Hai dung dịch cùng được gọi là "chua" có thể chứa lượng axit chênh nhau hàng trăm lần, và hai dung dịch cùng pH có thể chênh nhau hàng nghìn lần. Lý do: pH là thang cường độ , giống nhiệt độ; số mol H + là dung lượng , giống nhiệt lượng. Tia lửa hàn nóng hàng nghìn độ C không sưởi ấm nổi một căn phòng, còn một bồn nước 40 độ C thì làm được.
1 · CƯỜNG ĐỘ pH = -log[H + ]: mật độ H + trong mỗi lít
2 · NHÂN THỂ TÍCH n(H + ) = [H + ]·V: số hạt thật
3 · NHU CẦU H + tự do cộng H + tiềm tàng
4 · BỂ CHỨA mỗi gam chất nhận a mmol H +
5 · pH CUỐI do phần còn lại và trần của chất
Bước 1. pH là thang logarit của mật độ H +
pH = -log a(H + ); với dung dịch loãng, hoạt độ a gần bằng nồng độ nên ta viết pH = -log[H + ]. Mỗi đơn vị pH là một thừa số 10 của nồng độ. Hai mốc dùng xuyên suốt bài là pH 1,4 (trung vị đo ở người trưởng thành) và pH 3,7 (dạ dày đã bị thức ăn hoặc thuốc giảm tiết làm "loãng axit", chỉ để so sánh).
Mẫu
[H + ] (M)
pH
n(H + ) trong 100 mL
Mg(OH) 2 vừa đủ
2·10 -4
3,70
0,02 mmol
0,58 mg
4·10 -2
1,40
4,0 mmol
116,6 mg
B / A
200 lần
chênh 2,30
200 lần
Insight 1: 200 lần nồng độ, nhưng 0,58 mg là đủ
Chênh 2,30 đơn vị pH nghe như "gần nhau", thực ra là 10 2,30 = 200 lần. Nhưng ở mẫu A, cả 100 mL chỉ có 0,02 mmol H + , vừa đủ cho 0,58 mg Mg(OH) 2 , bằng một hạt bụi. Ngay khi bạn thả vào 1 mg, pH của mẫu A nhảy từ 3,7 lên khoảng 10,2. "Chua" ở pH 3,7 là chua nhạt , không phải chua nhiều .
Bước 2. Nhân với thể tích mới ra số hạt
Trung hòa là phản ứng đếm hạt: một H + cần một nhóm nhận. Vì thế n(H + ) = [H + ]·V . Nếu thể tích khác nhau, pH không còn so sánh được lượng: 1 lít dung dịch pH 3,7 chứa 0,2 mmol, gấp 10 lần 100 mL cùng pH, nhưng vẫn kém 20 lần so với 100 mL pH 1,4. Một viên 500 mg đá vôi nghiền có thể nhận 10,0 mmol H + (2·500/100,09), nghĩa là 100 mL pH 1,4 chỉ ngốn 0,40 viên.
Bước 3. Dạ dày thật là một dòng chảy
Tế bào thành niêm mạc dạ dày bơm HCl với nồng độ khoảng 0,15 đến 0,16 M (pH khoảng 0,8); trộn với dịch và thức ăn, giá trị trung vị đo được ở người trưởng thành là pH 1,4. Pepsin, enzim cắt protein, hoạt động mạnh nhất quanh pH 1,5 đến 2, giảm nhanh khi pH vượt khoảng 4 và gần như ngừng trên 4 đến 5; cấu trúc của nó vẫn bền đến khoảng pH 8 nên có thể hoạt động lại nếu axit tiết tiếp. Mục tiêu của thuốc kháng axit vì thế là kéo pH lên quá 4, không phải đến 7 .
Giới hạn của "dung lượng một liều"
Dạ dày tiết 2 đến 3 lít dịch vị mỗi ngày và liên tục đẩy thức ăn xuống ruột. Một liều chỉ trung hòa phần axit đang có mặt; axit tiết thêm sẽ lại kéo pH xuống. Đó là lý do thuốc kháng axit chỉ cho giảm triệu chứng tạm thời, và mô hình của bài là một bình kín tĩnh, chưa có dòng chảy.
Lab 1. Máy ảnh "pH so với lượng" KÉO ĐỂ ĐỔI GÓC NHÌN
pH dung dịch: 1,4
Thể tích: 100 mL
[H + ]
Lượng H +
Viên 500 mg cần
Mg(OH) 2 vừa đủ
Thang tuyến tính nói thật: cột pH 3,7 gần như không hiện. Thang log nói cũng thật nhưng thuộc về pH: nó nén 200 lần thành một đoạn ngắn. Cùng một sự thật cần hai thang khác nhau tùy câu hỏi là "mạnh cỡ nào" hay "bao nhiêu".
02
Phòng thí nghiệm chính
Dạ dày và viên thuốc: động cơ cân bằng điện tích
Chất trung hòa tốt không phải chất làm pH cao nhất, mà là chất có dung lượng lớn trên mỗi gam , nhận đúng số proton, tan vừa đủ nhanh và không đẩy pH quá đà. Ba con số quyết định: mmol H + /g, trần pH, và việc có sinh CO 2 hay không.
Phản ứng viết đầy đủ
Mg(OH) 2 + 2HCl → MgCl 2 + 2H 2 O
Al(OH) 3 + 3HCl → AlCl 3 + 3H 2 O
CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O
HCO 3 - + H + → H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O
CaO + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O
Dung lượng trên mỗi gam (mmol H + /g = 1000·z/M)
MgO: 49,62 (z = 2, 40,30 g/mol)
Al(OH) 3 : 38,46 (z = 3, 78,00)
CaO: 35,67 (z = 2, 56,08)
Mg(OH) 2 : 34,29 (z = 2, 58,32)
CaCO 3 : 19,98 (z = 2, 100,09)
NaHCO 3 : 11,90 (z = 1, 84,01)
Vì sao một thìa sữa magie thắng nước bọt
Nước bọt có chứa bicarbonate nên đúng là một bazơ yếu, và cơ chế của nó giống hệt thuốc: HCO 3 - + H + → CO 2 + H 2 O. Cái khác nằm ở dung lượng . Nước bọt lúc nghỉ chảy khoảng 0,4 đến 0,5 mL mỗi phút; nếu có vài mmol/L bicarbonate (lấy 5 mmol/L), 30 phút nuốt hết cũng chỉ đem được 0,07 mmol. Kích thích mạnh (nhai kẹo cao su), lưu lượng lên 1 đến 3 mL/phút và nồng độ bicarbonate không vượt mức trong huyết tương (khoảng 24 mmol/L): trần lý thuyết 2,2 mmol trong 30 phút. Một thìa 5 mL sữa magie loại 400 mg Mg(OH) 2 mang 13,7 mmol: gấp 200 lần nước bọt lúc nghỉ và 6 lần trần tưởng tượng. Nuốt nước bọt giúp một chút, nhưng chỉ viên thuốc cỡ gam mới gánh nổi.
CO 2 , ợ hơi và phản ứng dội
Muối cacbonat và bicarbonate sinh khí. Trung hòa 4 mmol H + bằng NaHCO 3 tạo 4 mmol CO 2 , khoảng 102 mL khí ở 37 độ C; bằng CaCO 3 là 2 mmol, khoảng 51 mL. Khí ấy gây đầy hơi hoặc ợ. Canxi cacbonat còn được mô tả là có thể gây "phản ứng dội": khi pH lên cao, cơ thể có thể tiết axit nhiều hơn sau đó; hiệu ứng này nhỏ và còn tranh luận, nên hãy xem là một cơ chế được đề xuất chứ không phải định luật.
Táo bón và tiêu chảy: hai bên của một cái cân
Hợp chất magie nhìn chung gây nhuận tràng, có thể dẫn đến tiêu chảy (ion Mg 2+ hấp thu kém ở ruột và giữ nước theo cơ chế thẩm thấu). Hợp chất nhôm có xu hướng làm chậm nhu động, gây táo bón, và còn gắn phosphat. Vì thế nhiều chế phẩm phối hợp Mg(OH) 2 với Al(OH) 3 để triệt tiêu tác dụng phụ của nhau. Đây là xu hướng chung, không phải phản ứng chắc chắn của mọi người.
Insight 2: trần pH thật thấp hơn trần trong sách
Sách dạy Mg(OH) 2 bão hòa có pH 10,35. Trong dạ dày thì khác: HCl đã biến thành MgCl 2 , và Mg 2+ sẵn có ép cân bằng hòa tan lùi lại (ion chung). Với 4 mmol H + trong 100 mL, Mg(OH) 2 dư chỉ đưa pH lên 9,2. Cái trần tự giới hạn vì vậy còn thấp hơn con số tra bảng.
Lab 2. Dạ dày bình kín và viên thuốc kháng axit CÂN BẰNG ĐIỆN TÍCH · CHIA ĐÔI pH
Thể tích dịch vị: 100 mL
pH ban đầu: 1,4
Liều thuốc: 300 mg
pH cuối
H + tự do còn lại
CO 2 sinh ra
Chất rắn dự trữ
Liều so với axit
Tốc độ (định tính)
Tam giác xám trên thang pH là pH ban đầu. Hãy thử: Mg(OH) 2 với liều 100 mg rồi 200 mg (vách đứng gần 117 mg); đổi sang CaO và so trần pH; đổi NaHCO 3 giữa hệ mở và hệ kín ở liều 336 mg.
Động cơ tính toán bên trong Lab 2
Mỗi lần bạn kéo thanh trượt, trang giải một phương trình cân bằng điện tích: tổng điện tích dương = tổng điện tích âm .
n·[M n+ ] + [H + ] = [Cl - ] + [OH - ] + [HCO 3 - ] + 2[CO 3 2- ]
[Cl - ] cố định bằng lượng HCl ban đầu. Cation của thuốc bị chặn bởi hai thứ: lượng thuốc có thật, và Ksp (còn chất rắn thì [M n+ ] = Ksp/[OH - ] n ). Với cacbonat dùng pK a1 = 6,35 và pK a2 = 10,33; hệ kín giữ nguyên tổng cacbon, hệ mở khóa [H 2 CO 3 ] ở mức cân bằng với khí quyển (1,4·10 -5 M). Vế trái trừ vế phải giảm đơn điệu theo pH, nên phép chia đôi trên đoạn pH từ -1 đến 15 luôn hội tụ về đúng một nghiệm. Kết quả JavaScript đã được đối chiếu với Python trên 156 ca.
Giới hạn trung thực: không có động học hòa tan (nên "tốc độ" chỉ là định tính), không có pepsin, đệm của thức ăn, tiết axit tiếp tục hay làm rỗng dạ dày; hoạt độ coi như nồng độ; MgO coi như đã thành Mg(OH) 2 ; Al(OH) 3 chỉ giữ Al 3+ và chất rắn với Ksp khoảng 2·10 -33 , bỏ qua phức hiđroxo và dạng lưỡng tính, nên pH của nhôm chỉ mang tính minh họa; hệ kín bỏ qua việc CO 2 vượt độ tan (trên khoảng 0,034 M sẽ sủi bọt). Dạ dày thật nằm giữa hệ mở và hệ kín.
03
Trực giác trước, lời giải sau
Đoán trước khi xem lời giải
Mỗi câu dưới đây có một đáp án khiến trực giác "pH nói tất cả" sai. Chọn trước, đọc giải thích sau.
Hai bình đều 100 mL: A có pH 3,7, B có pH 1,4. Để trung hòa hết, B cần lượng bazơ (mol) gấp A bao nhiêu lần?
Rắc thật dư Mg(OH) 2 vào nước tinh khiết. pH tối đa của dung dịch là bao nhiêu?
Cùng 1 gam, CaCO 3 hay NaHCO 3 nhận được nhiều H + hơn, và hơn bao nhiêu?
Cho NaHCO 3 với số mol đúng bằng số mol HCl (khoảng 0,04 M) vào bình đậy kín. pH cuối gần nhất với giá trị nào?
04
Công cụ tư duy
Tám bí quyết
Mỗi bí quyết là một công cụ có giới hạn: quy tắc, lý do vật lý, và chỗ nó hỏng.
BÍ QUYẾT 1
pH nói nồng độ, mol nói lượng
Quy tắc. Đổi pH thành [H + ], nhân thể tích để có mol H + ; chỉ số mol mới so được với dung lượng chất trung hòa.
Vì sao. pH đo mật độ hạt, còn trung hòa là phản ứng đếm hạt: mỗi H + cần một nhóm nhận, bất kể nó nằm trong bao nhiêu lít.
Khi nào hỏng. Khi có axit yếu chưa phân li hoặc H + tiềm tàng (Fe 3+ , Al 3+ , H 2 CO 3 ): pH chỉ báo phần đã giải phóng, cần chuẩn độ ra tổng độ axit.
BÍ QUYẾT 2
Chênh 1 đơn vị pH là 10 lần
Quy tắc. Hiệu số pH bằng d thì [H + ] đổi 10 d lần: 2,30 đơn vị là 200 lần, 0,1 đơn vị là khoảng 26%.
Vì sao. pH là logarit để nén dải 1 đến 10 -14 mol/L thành 0 đến 14; mỗi vạch là một bậc thừa số 10 của mật độ H + .
Khi nào hỏng. Ở dung dịch rất loãng phải tính cả H + của nước: HCl 10 -8 M có pH 6,98 chứ không phải 8. Ở lực ion lớn, hoạt độ lệch khỏi nồng độ.
BÍ QUYẾT 3
Dung lượng = mmol H + trung hòa trên mỗi gam
Quy tắc. Dung lượng = 1000·z/M. MgO: 49,6; Al(OH) 3 : 38,5; CaO: 35,7; Mg(OH) 2 : 34,3; CaCO 3 : 20,0; NaHCO 3 : 11,9.
Vì sao. Phản ứng đếm theo mol phân tử, mà khối lượng mol khác nhau: chất nhẹ nhận được nhiều proton trên mỗi gam, chất nặng chỉ nhận ít.
Khi nào hỏng. Giá trị lý thuyết chỉ đạt khi chất tan hoặc phản ứng hết: hạt thô, lớp bọc và thời gian làm dung lượng thực thấp hơn.
BÍ QUYẾT 4
Viết đúng số proton mỗi công thức nhận
Quy tắc. Viết phương trình ion và đếm H + ở vế trái: Mg(OH) 2 nhận 2, Al(OH) 3 nhận 3, CaCO 3 nhận 2, NaHCO 3 nhận 1.
Vì sao. z là số điện tích âm của gốc cần được bù: hai OH - , ba OH - , một CO 3 2- (qua hai nấc, pK a 10,33 rồi 6,35), một HCO 3 - .
Khi nào hỏng. z phụ thuộc điểm dừng: nếu chỉ đến HCO 3 - (khoảng pH 8) thì CO 3 2- chỉ nhận 1; gel nhôm đệm ở pH 3 đến 4 nên không luôn nhận đủ 3.
BÍ QUYẾT 5
Bazơ ít tan tự giới hạn pH
Quy tắc. pH trần suy từ Ksp: Mg(OH) 2 là 10,35, Ca(OH) 2 là 12,33; không tăng thêm dù thả bao nhiêu chất rắn.
Vì sao. Rắn chỉ bổ sung OH - cho tới khi tích số ion bằng Ksp, rồi nồng độ bão hòa đứng yên; NaOH thì tan không có trần như vậy.
Khi nào hỏng. Ion chung kéo trần xuống (trong 0,02 M Mg 2+ trần chỉ còn 9,2); nhiệt độ, lực ion và CO 2 khí quyển cũng làm lệch vài phần mười pH.
BÍ QUYẾT 6
Muối cacbonat sinh khí: hệ mở khác hệ kín
Quy tắc. CO 3 2- hoặc HCO 3 - + H + → H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O (thuận nghịch): khí thoát thì pH cuối cao, khí ở lại thì pH thấp (336 mg NaHCO 3 : kín 3,87, mở 5,36).
Vì sao. H 2 CO 3 là axit yếu (pK a1 6,35); CO 2 bay đi kéo cân bằng sang phải và lấy H + ra khỏi dung dịch.
Khi nào hỏng. Dạ dày thật là hệ nửa mở; 2 mmol CO 2 chiếm khoảng 51 mL khí, nên ợ hơi hay đầy hơi tùy khí thoát được hay không.
BÍ QUYẾT 7
Trung hòa không có nghĩa pH 7
Quy tắc. Hết mol là hết axit, còn pH do muối sinh ra quyết định: CH 3 COONa 0,05 M có pH 8,73; NH 4 Cl 0,05 M có 5,28; điểm vừa đủ NaHCO 3 và HCl kín khoảng 3,9.
Vì sao. Anion của axit yếu nhận proton từ nước, cation của bazơ yếu cho proton cho nước; muối ấy là một bazơ hoặc axit thật sự.
Khi nào hỏng. Chỉ axit mạnh với bazơ mạnh mới về 7 (ở 25 độ C); và mục tiêu sinh học khác 7: dạ dày chỉ cần vượt khoảng 4.
BÍ QUYẾT 8
Đọc chuỗi nguồn và bể chứa H +
Quy tắc. Liệt kê nguồn (oxi hóa lưu huỳnh, thủy phân Fe 3+ , CO 2 tan, SO 2 ) và bể (CaCO 3 , HCO 3 - , Al(OH) 3 , hữu cơ), rồi cộng đại số: pyrite cho +2, -1, +3 = +4 H + .
Vì sao. Điện tích bảo toàn nên mol H + cộng được tuyến tính; pH chỉ là con số đọc ở cuối sổ.
Khi nào hỏng. Nguồn và bể phụ thuộc pH (Fe(OH) 3 chỉ kết tủa khi pH vượt khoảng 2,5 đến 3,5) và phụ thuộc tốc độ, không chỉ cân bằng.
05
Bản đồ phân biệt
Từ mỏ pyrite đến bao vôi: sổ cái nguồn và bể chứa H +
Pyrite FeS 2 là một sunfua, không phải axit. Đất vùng quặng chua và giàu sắt vì khi gặp oxi và nước, khoáng vật trung tính ấy bị "đốt" thành axit sunfuric và sắt hòa tan. Cách đọc đúng là mở sổ cái: mỗi bước là một khoản thu hoặc chi H + .