Axit và bazơ mạnh, yếu, đậm đặc và loãng
Tìm hiểu sự khác nhau giữa độ mạnh và nồng độ của axit và bazơ qua mô hình hạt, dữ liệu pH, hằng số cân bằng và các ví dụ HSC Chemistry có lời giải.
Chất nào có pH thấp hơn: axit hydrochloric \(1.00 \times 10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), hay axit ethanoic \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)?
Bạn có thể chọn axit hydrochloric vì HCl là axit mạnh, còn axit ethanoic là axit yếu. Nhưng ở \(25^\circ\mathrm{C}\), HCl có pH \(3.00\), trong khi axit ethanoic có pH khoảng \(2.88\).
Vì vậy, dung dịch axit yếu thực ra lại có pH thấp hơn.
Điều này chỉ có vẻ mâu thuẫn nếu chúng ta coi độ mạnh và nồng độ là cùng một khái niệm. Thực tế không phải vậy. Độ mạnh cho biết một axit hoặc bazơ phản ứng với nước như thế nào. Nồng độ cho biết có bao nhiêu chất đó trong một đơn vị thể tích dung dịch.
01Độ mạnh và nồng độ là hai yếu tố khác nhau
Hãy hình dung một bữa tiệc đông người, trong đó mỗi người đều đang mang theo một proton.
Đối với một axit, nồng độ gần giống với số người mang proton có mặt trong phòng. Độ mạnh là mức độ sẵn sàng của mỗi người trong việc trao proton đó cho nước.
Một căn phòng gần như trống nhưng gồm những người rất sẵn sàng cho proton tượng trưng cho một axit mạnh loãng. Một căn phòng chật kín những người miễn cưỡng cho proton tượng trưng cho một axit yếu đậm đặc. Căn phòng đông người đôi khi có thể tạo ra nhiều \(\ce{H3O+}\) hơn về tổng thể, mặc dù từng hạt axit riêng lẻ ít sẵn sàng cho proton hơn.
Phép so sánh này có giới hạn. Các phân tử không tự đưa ra lựa chọn riêng lẻ. Tỉ lệ thực tế được chi phối bởi cân bằng, và đối với các axit và bazơ yếu, phần chất phản ứng sẽ thay đổi khi dung dịch được pha loãng.
Có thể tóm tắt sự khác biệt như sau:
| Tính chất | Nồng độ | Độ mạnh |
|---|---|---|
| Câu hỏi chính | Có bao nhiêu chất tan trong một đơn vị thể tích? | Axit hoặc bazơ phản ứng với nước mạnh đến mức nào? |
| Đại lượng thường dùng | \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) | \(K_a\) đối với axit yếu hoặc \(K_b\) đối với bazơ yếu |
| Có thay đổi khi thêm nước không? | Có | Không, ở nhiệt độ không đổi |
| Có thể cao hoặc thấp độc lập với nhau không? | Có | Có |
| Chỉ riêng pH có xác định được không? | Không | Không |
Cũng không có một nồng độ chung nào mà tại đó một dung dịch đột ngột trở thành “đậm đặc”. Đậm đặc và loãng là những mô tả mang tính so sánh.
02Các hạt thực sự trông như thế nào
Giả sử chúng ta pha các dung dịch HCl và axit ethanoic, \(\ce{CH3COOH}\), có cùng nồng độ.
HCl là một axit mạnh trong nước. Trong các phép tính HSC thông thường, ta xem quá trình chuyển proton của nó cho nước là về cơ bản hoàn toàn:
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
Nếu nồng độ HCl là \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), do đó ta dự đoán xấp xỉ
\[ [\ce{H3O+}] = 0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
trong đó dấu ngoặc vuông biểu thị nồng độ cân bằng.
Axit ethanoic thì khác:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
Phần lớn các phân tử axit ethanoic vẫn tồn tại dưới dạng \(\ce{CH3COOH}\). Chỉ một phần nhỏ hơn chuyển proton cho nước tại một thời điểm bất kỳ.
Điều này có nghĩa là sơ đồ hạt của dung dịch HCl sẽ chủ yếu thể hiện \(\ce{H3O+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\), còn dung dịch axit ethanoic sẽ chủ yếu thể hiện các phân tử \(\ce{CH3COOH}\) còn nguyên vẹn, cùng với ít ion \(\ce{H3O+}\) và \(\ce{CH3COO-}\) hơn.

Sự khác biệt tương tự cũng áp dụng cho bazơ.
Một bazơ mạnh như natri hydroxide phân li về cơ bản hoàn toàn:
\[ \ce{NaOH(aq) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
Một bazơ yếu như ammonia thiết lập cân bằng với nước:
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
Hãy lưu ý một điểm quan trọng: ammonia không chứa nhóm \(\ce{OH-}\). Nó tạo ra \(\ce{OH-}\) bằng cách nhận một proton từ nước. Cách nhìn dựa trên sự chuyển proton này được trình bày sâu hơn trong Cặp axit-bazơ liên hợp và sự chuyển proton.
03Độ mạnh được xác định chính xác thông qua cân bằng
Mô hình tư duy đơn giản là axit càng mạnh thì càng dễ cho proton. Bây giờ ta có thể diễn đạt điều đó một cách chính xác.
Đối với một axit yếu được biểu diễn bằng \(\ce{HA}\),
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
và
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\mathrm{A}^{-}]}{[\ce{HA}]} \]
\(K_a\) càng lớn thì cân bằng càng thiên về phía các sản phẩm đã ion hoá, nên axit càng mạnh.
Đối với một bazơ yếu được biểu diễn bằng \(\ce{B}\),
\[ \ce{B(aq) + H2O(l) <=> BH+(aq) + OH-(aq)} \]
và
\[ K_b = \frac{[\ce{BH+}][\ce{OH-}]}{[\ce{B}]} \]
\(K_b\) càng lớn thì bazơ càng mạnh.
Đối với một axit hoặc bazơ nhất định trong nước, \(K_a\) hoặc \(K_b\) là hằng số tại một nhiệt độ xác định. Việc thêm nước làm thay đổi nồng độ các chất trong hỗn hợp cân bằng, nhưng không biến một axit yếu thành axit mạnh.
Điểm cuối cùng này dẫn đến một sai lầm khá phổ biến.
Khi một axit yếu được pha loãng, phần trăm ion hoá thường tăng. Nhưng \(K_a\) của nó không thay đổi. Việc một tỉ lệ lớn hơn phản ứng sau khi pha loãng không có nghĩa là axit đó bằng cách nào đó đã trở nên mạnh hơn về mặt hoá học.
04Vì sao chỉ riêng pH không cho biết độ mạnh
Ở \(25^\circ\mathrm{C}\),
\[ \mathrm{pH}=-\log_{10}[\ce{H3O+}] \]
và
\[ \mathrm{pOH}=-\log_{10}[\ce{OH-}] \]
với
\[ \mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14.00 \]
pH cho biết nồng độ hydronium tại cân bằng. Nó không cho biết cần có bao nhiêu axit ban đầu để tạo ra nồng độ hydronium đó.
Xét bốn dung dịch axit sau ở \(25^\circ\mathrm{C}\). Đối với axit ethanoic, dùng \(K_a=1.8\times10^{-5}\).
| Dung dịch | Độ mạnh của axit | Nồng độ axit | pH xấp xỉ |
|---|---|---|---|
| HCl | Mạnh | \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) | \(1.00\) |
| HCl | Mạnh | \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) | \(3.00\) |
| \(\ce{CH3COOH}\) | Yếu | \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) | \(2.88\) |
| \(\ce{CH3COOH}\) | Yếu | \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) | \(3.90\) |
Hãy nhìn vào hai hàng ở giữa.
Axit yếu \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) có pH thấp hơn axit mạnh \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
HCl vẫn là axit mạnh hơn. Nồng độ thấp hơn của nó đơn giản có nghĩa là có ít hạt axit hơn rất nhiều trong mỗi lít.
Đây là lý do vì sao những phát biểu như “dung dịch có pH thấp hơn chứa axit mạnh hơn” là không đáng tin cậy nếu nồng độ và bản chất của axit chưa được kiểm soát. Để tìm hiểu thêm về cách diễn giải các phép đo pH, xem pH và độ mạnh axit-bazơ: Giải thích HSC Chemistry.
05Đọc dữ liệu dung dịch mà không mắc bẫy của đáp án có vẻ hiển nhiên
Khi đề thi cung cấp dữ liệu về nồng độ và pH, hãy tách riêng các câu hỏi trước khi thực hiện bất kỳ phép tính nào.
| Dữ liệu được cho | Điều bạn có thể kết luận một cách chắc chắn |
|---|---|
| Chỉ có nồng độ | Có bao nhiêu chất tan hiện diện, nhưng chưa chắc biết được pH |
| Chỉ có pH | \([\ce{H3O+}]\), nhưng không xác định được độ mạnh của axit hay tổng nồng độ axit |
| Các giá trị \(K_a\) | Độ mạnh tương đối của các axit trong các điều kiện có thể so sánh |
| Các giá trị \(K_b\) | Độ mạnh tương đối của các bazơ trong các điều kiện có thể so sánh |
| Cùng nồng độ nhưng pH khác nhau | Bằng chứng hữu ích về hành vi tương đối của axit hoặc bazơ, với điều kiện các chất có thể so sánh được |
| pH trước và sau khi pha loãng | Thông tin về cách cân bằng đáp ứng, nhưng không phải sự thay đổi của \(K_a\) hay \(K_b\) |
Đối với một axit mạnh đơn proton đơn giản ở nồng độ HSC thông thường,
\[ [\ce{H3O+}] \approx c_{\text{acid}} \]
vì về cơ bản toàn bộ axit đều đóng góp một proton.
Đối với axit yếu, cách tính tắt đó không còn đúng. Nếu nồng độ ban đầu \(c\) của \(\ce{HA}\) tạo ra nồng độ hydronium cân bằng \(x\), thì
\[ [\ce{H3O+}]=x,\qquad [\mathrm{A}^{-}]=x,\qquad [\ce{HA}]=c-x \]
do đó
\[ K_a=\frac{x^2}{c-x} \]
Phương trình này liên hệ mô hình hạt với dữ liệu dung dịch có thể đo được.
Mối quan hệ tương ứng đối với bazơ yếu là
\[ K_b=\frac{x^2}{c-x} \]
khi \(x=[\ce{OH-}]\) đối với một bazơ phản ứng với nước theo tỉ lệ 1:1.
Ví dụ có lời giải: Pha loãng một axit mạnh
Một học sinh pha loãng \(25.0\ \mathrm{mL}\) dung dịch HCl \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) đến tổng thể tích \(200.0\ \mathrm{mL}\). Tính pH cuối cùng ở \(25^\circ\mathrm{C}\), và cho biết axit có trở nên yếu hơn hay không.
Bước 1
Số mol HCl không thay đổi trong quá trình pha loãng, nên
\[ c_1V_1=c_2V_2 \]
trong đó \(c_1\) và \(c_2\) lần lượt là nồng độ ban đầu và cuối cùng, còn \(V_1\) và \(V_2\) là các thể tích tương ứng.
\[ c_2 =\frac{c_1V_1}{V_2} =\frac{(0.0800)(25.0)}{200.0} =0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Có thể dùng cùng một đơn vị thể tích ở tử số và mẫu số vì chúng triệt tiêu nhau.
Bước 2
HCl ion hoá về cơ bản hoàn toàn, nên
\[ [\ce{H3O+}]\approx0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Bước 3
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}(0.0100) =2.00 \]
Bước 4
pH cuối cùng là \(2.00\). Dung dịch đã trở nên loãng hơn, nhưng HCl không trở thành một axit yếu hơn. Độ mạnh axit của nó không thay đổi.
Các hạt đơn giản chỉ được phân bố trong một thể tích lớn hơn.
Ví dụ có lời giải: Một bazơ yếu đậm đặc có thể có pH cao hơn
So sánh NaOH \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) với ammonia \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(\ce{NH3}\), ở \(25^\circ\mathrm{C}\). Đối với ammonia, \(K_b=1.8\times10^{-5}\). Bazơ nào mạnh hơn, và dung dịch nào có pH cao hơn?
Bước 1
NaOH là bazơ mạnh và phân li về cơ bản hoàn toàn:
\[ [\ce{OH-}]=0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Do đó,
\[ \mathrm{pOH}=-\log_{10}(0.00100)=3.00 \]
và
\[ \mathrm{pH}=14.00-3.00=11.00 \]
Bước 2
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
Gọi \(x\) là nồng độ cân bằng của \(\ce{OH-}\), tính theo \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Khi đó
\[ K_b=\frac{x^2}{0.100-x} \]
Vì \(K_b\) nhỏ, trước tiên hãy kiểm tra phép gần đúng \(0.100-x\approx0.100\):
\[ 1.8\times10^{-5} \approx\frac{x^2}{0.100} \]
nên
\[ x \approx\sqrt{(1.8\times10^{-5})(0.100)} =1.34\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Chỉ khoảng \(1.34\%\) ammonia phản ứng, nên phép gần đúng là hợp lý.
Bước 3
\[ \mathrm{pOH} =-\log_{10}(1.34\times10^{-3}) \approx2.87 \]
Do đó,
\[ \mathrm{pH}\approx14.00-2.87=11.13 \]
Bước 4
NaOH là bazơ mạnh hơn, vì nó phân li về cơ bản hoàn toàn trong nước trong khi ammonia là bazơ yếu.
Tuy nhiên, dung dịch ammonia \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) có pH cao hơn: khoảng \(11.13\) so với \(11.00\).
Nồng độ lớn hơn rất nhiều của nó lấn át hành vi bazơ yếu hơn trong phép so sánh này.
06Những quan niệm sai cần nhận ra
Một axit mạnh loãng vẫn là axit mạnh. Nếu bạn pha loãng HCl từ \(1.0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) xuống \(1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), nồng độ của nó đã thay đổi theo hệ số 1000. Bản chất và độ mạnh axit của nó không thay đổi.
Một axit yếu đậm đặc vẫn là axit yếu. Bạn có thể có một lượng lớn axit yếu trong mỗi lít trong khi chỉ một phần nhỏ bị ion hoá ở trạng thái cân bằng.
pH thấp hơn không tự động có nghĩa là axit mạnh hơn. Nó có nghĩa là \([\ce{H3O+}]\) cân bằng lớn hơn. Điều đó có thể do độ mạnh lớn hơn, nồng độ lớn hơn, hoặc cả hai.
Cuối cùng, phần trăm ion hoá lớn hơn sau khi pha loãng không có nghĩa là axit yếu đã trở nên mạnh hơn. Độ mạnh được biểu diễn bằng \(K_a\). Phần trăm ion hoá mô tả hỗn hợp cân bằng cụ thể tại nồng độ đó.
07Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một dung dịch \(\ce{HNO3}\) \(0.00200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) được một học sinh mô tả là “axit yếu vì nó rất loãng”.
Tính pH của dung dịch ở \(25^\circ\mathrm{C}\), và sửa lại phát biểu của học sinh.
Lời giải 1
Dung dịch có pH \(2.70\), và \(\ce{HNO3}\) là một axit mạnh ngay cả khi dung dịch của nó loãng.
Trong dung dịch nước HSC, axit nitric được xem là ion hoá về cơ bản hoàn toàn:
\[ \ce{HNO3(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + NO3-(aq)} \]
Do đó,
\[ [\ce{H3O+}] =0.00200\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
và
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}(0.00200) =2.699 \approx2.70 \]
Sai lầm dễ mắc là dùng yếu và loãng như những từ đồng nghĩa. Chúng mô tả hai tính chất khác nhau. Ở đây, loãng mô tả nồng độ tương đối thấp. Mạnh mô tả phản ứng về cơ bản hoàn toàn của \(\ce{HNO3}\) với nước.
Câu hỏi 2
Axit ethanoic có \(K_a=1.8\times10^{-5}\) ở \(25^\circ\mathrm{C}\).
Tính pH và phần trăm ion hoá của:
(a) axit ethanoic \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
(b) axit ethanoic \(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Dùng kết quả của bạn để giải thích việc pha loãng ảnh hưởng như thế nào đến cả pH và phần trăm ion hoá.
Lời giải 2
Pha loãng làm pH tăng từ khoảng \(2.88\) lên \(3.38\), nhưng làm phần trăm ion hoá tăng từ khoảng \(1.33\%\) lên \(4.15\%\).
Đối với axit ethanoic,
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> H3O+ + CH3COO-} \]
Gọi \(x=[\ce{H3O+}]\).
Đối với phần (a),
\[ 1.8\times10^{-5} =\frac{x^2}{0.100-x} \]
Sắp xếp lại được
\[ x^2+(1.8\times10^{-5})x-(1.8\times10^{-6})=0 \]
Lấy nghiệm dương có ý nghĩa vật lý,
\[ x=1.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Do đó,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}(1.33\times10^{-3}) \approx2.88 \]
Phần trăm ion hoá là
\[ \frac{1.33\times10^{-3}}{0.100}\times100 =1.33\% \]
Đối với phần (b),
\[ 1.8\times10^{-5} =\frac{x^2}{0.0100-x} \]
cho
\[ x=4.15\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Do đó,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}(4.15\times10^{-4}) \approx3.38 \]
và
\[ \text{phần trăm ion hoá} =\frac{4.15\times10^{-4}}{0.0100}\times100 =4.15\% \]
Kết quả có vẻ lạ là theo pH, axit trở nên kém axit hơn, nhưng một tỉ lệ lớn hơn các phân tử của nó lại ion hoá.
Không có mâu thuẫn nào ở đây. Pha loãng làm giảm tổng nồng độ axit. Khi đó, cân bằng dịch chuyển theo hướng ion hoá nhiều hơn, phần nào chống lại sự giảm này. Tuy nhiên, sự dịch chuyển đó không đủ để giữ \([\ce{H3O+}]\) không đổi, nên pH vẫn tăng.
Axit không trở nên mạnh hơn: \(K_a\) vẫn bằng \(1.8\times10^{-5}\).
Câu hỏi 3
Một dung dịch bazơ chưa biết có nồng độ \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) và pH đo được là \(10.97\) ở \(25^\circ\mathrm{C}\). Giả sử bazơ phản ứng với nước theo tỉ lệ 1:1:
\[ \ce{B + H2O <=> BH+ + OH-} \]
Ước tính \(K_b\). Sau đó so sánh pH đo được với pH mà dung dịch sẽ có nếu bazơ này hoạt động như một bazơ mạnh ở cùng nồng độ.
Lời giải 3
Bazơ có \(K_b\approx1.8\times10^{-5}\), vì vậy dữ liệu phù hợp với một bazơ yếu; một bazơ mạnh \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) thay vào đó sẽ có pH khoảng \(12.70\).
Từ pH đo được,
\[ \mathrm{pOH}=14.00-10.97=3.03 \]
Do đó,
\[ [\ce{OH-}] =10^{-3.03} =9.33\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Đặt
\[ x=9.33\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Khi đó
\[ [\ce{BH+}]=x \]
và
\[ [\ce{B}] =0.0500-x =0.0491\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Vì vậy,
\[ K_b =\frac{[\ce{BH+}][\ce{OH-}]}{[\ce{B}]} =\frac{(9.33\times10^{-4})^2}{0.0491} \approx1.8\times10^{-5} \]
Bây giờ kiểm tra mô hình bazơ mạnh đối lập.
Nếu bazơ là bazơ mạnh và tạo ra một \(\ce{OH-}\) trên mỗi đơn vị công thức,
\[ [\ce{OH-}]=0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
nên
\[ \mathrm{pOH} =-\log_{10}(0.0500) =1.301 \]
và
\[ \mathrm{pH} =14.00-1.301 =12.70 \]
Cách suy luận dễ mắc sai lầm là nhìn vào pH \(10.97\), thấy nó cao hơn 7 đáng kể, rồi gọi bazơ là “mạnh”. Nhưng pH đo nồng độ \(\ce{OH-}\) cuối cùng. So sánh nồng độ đó với lượng bazơ đã biết là \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) cho thấy chỉ một phần nhỏ bazơ đã phản ứng.
Câu hỏi 4
Ở \(25^\circ\mathrm{C}\), một học sinh pha dung dịch HCl \(1.0\times10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) và lập luận:
HCl là axit mạnh, nên \([\ce{H3O+}]=1.0\times10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\). Do đó pH là \(8.00\).
Điều đó dường như có nghĩa là thêm một axit mạnh vào nước lại tạo ra một dung dịch kiềm.
Hãy tìm pH đúng bằng cách tính đến sự tự ion hoá của nước. Dùng
\[ K_w=1.0\times10^{-14} \]
và giả sử dung dịch loãng có hành vi lý tưởng.
Lời giải 4
pH đúng là khoảng \(6.98\), không phải \(8.00\).
Phép tính của học sinh sai vì ở nồng độ axit cực thấp như vậy, bản thân nước là một nguồn \(\ce{H3O+}\) đáng kể. Ta không còn có thể giả vờ rằng mọi ion hydronium đều đến từ HCl.
Vì HCl là axit mạnh,
\[ [\mathrm{Cl}^{-}] =1.0\times10^{-8}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Cân bằng điện tích đòi hỏi tổng điện tích dương từ \(\ce{H3O+}\) phải bằng điện tích âm từ cả \(\mathrm{Cl}^{-}\) và \(\ce{OH-}\):
\[ [\ce{H3O+}] = [\mathrm{Cl}^{-}]+[\ce{OH-}] \]
Đặt
\[ h=[\ce{H3O+}] \]
Khi đó
\[ [\ce{OH-}] =\frac{K_w}{h} =\frac{1.0\times10^{-14}}{h} \]
nên
\[ h =1.0\times10^{-8} +\frac{1.0\times10^{-14}}{h} \]
Nhân với \(h\),
\[ h^2-(1.0\times10^{-8})h-1.0\times10^{-14}=0 \]
Lấy nghiệm dương,
\[ h = \frac{1.0\times10^{-8} +\sqrt{(1.0\times10^{-8})^2+4(1.0\times10^{-14})}}{2} \]
\[ h \approx1.05\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Do đó,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}(1.05\times10^{-7}) \approx6.98 \]
Kết quả này cũng vượt qua một phép kiểm tra vật lý hữu ích. Nước tinh khiết ở \(25^\circ\mathrm{C}\) có \([\ce{H3O+}]=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\). Việc thêm HCl phải làm giá trị đó tăng nhẹ, chứ không thể bằng cách nào đó làm nó giảm xuống dưới giá trị của nước tinh khiết và khiến dung dịch trở thành kiềm.
Vì vậy, phép gần đúng \([\ce{H3O+}]\approx c_{\text{strong acid}}\) không phải là một định luật chính xác. Nó chỉ là một phép gần đúng rất tốt khi axit mạnh đóng góp lượng hydronium lớn hơn rất nhiều so với nước.
Câu hỏi 5
Hai dung dịch axit đơn proton X và Y đều có pH \(3.00\) ở \(25^\circ\mathrm{C}\).
X là một axit mạnh.
Y là một axit yếu với
\[ K_a=1.0\times10^{-4} \]
(a) Tìm nồng độ hình thức của axit X và Y.
(b) Sau đó, mỗi dung dịch được pha loãng theo hệ số 100. Tính pH mới của mỗi dung dịch.
(c) Dung dịch nào bây giờ có pH thấp hơn, và vì sao điều đó không mâu thuẫn với việc X là axit mạnh hơn?
Giả sử dung dịch có hành vi lý tưởng và bỏ qua sự tự ion hoá của nước, trừ khi điều đó ảnh hưởng đáng kể đến kết quả.
Lời giải 5
Sau khi pha loãng 100 lần, dung dịch axit yếu Y có pH thấp hơn: khoảng \(4.18\), so với khoảng \(5.00\) của X. Điều này không làm Y trở thành axit mạnh hơn.
Ban đầu, cả hai dung dịch đều có pH \(3.00\), nên
\[ [\ce{H3O+}] =10^{-3.00} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Đối với axit mạnh X, sự ion hoá về cơ bản hoàn toàn có nghĩa là
\[ c_X =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Bây giờ xét axit yếu Y.
Gọi nồng độ hình thức của nó là \(c_Y\). Ở trạng thái cân bằng,
\[ [\ce{H3O+}] =[\mathrm{A}^{-}] =x =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
và
\[ [\ce{HA}]=c_Y-x \]
Dùng \(K_a\) đã cho,
\[ 1.0\times10^{-4} = \frac{(1.00\times10^{-3})^2} {c_Y-1.00\times10^{-3}} \]
Sắp xếp lại,
\[ c_Y-1.00\times10^{-3} = \frac{1.00\times10^{-6}}{1.0\times10^{-4}} =0.0100 \]
nên
\[ c_Y=0.0110\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Đây là kết quả quan trọng đầu tiên. Hai dung dịch có cùng giá trị pH, nhưng Y chứa lượng axit tổng cộng lớn gấp mười một lần.
Bây giờ pha loãng cả hai dung dịch theo hệ số 100.
Đối với X,
\[ c_X =\frac{1.00\times10^{-3}}{100} =1.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Phép gần đúng cho axit mạnh cho
\[ [\ce{H3O+}] \approx1.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
nên
\[ \mathrm{pH}_X\approx5.00 \]
Sự tự ion hoá của nước chỉ tạo ra một hiệu chỉnh nhỏ trong trường hợp này, vì vậy \(5.00\) là phù hợp với độ chính xác đã nêu.
Đối với Y,
\[ c_Y =\frac{0.0110}{100} =1.10\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Gọi nồng độ hydronium cân bằng mới là \(x\).
\[ 1.0\times10^{-4} = \frac{x^2}{1.10\times10^{-4}-x} \]
Sắp xếp lại,
\[ x^2+(1.0\times10^{-4})x-1.10\times10^{-8}=0 \]
Nghiệm dương là
\[ x=6.62\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
Do đó,
\[ \mathrm{pH}_Y =-\log_{10}(6.62\times10^{-5}) \approx4.18 \]
Vì vậy, sau khi pha loãng như nhau,
\[ \mathrm{pH}_Y<\mathrm{pH}_X \]
mặc dù Y là axit yếu.
Dự đoán dễ mắc sai lầm là axit mạnh luôn phải có pH thấp hơn. Điều kiện còn thiếu là tổng nồng độ axit.
Ban đầu, X về cơ bản đã ion hoá hoàn toàn, nên nó không có một “kho dự trữ” lớn các phân tử axit chưa ion hoá chờ phản ứng. Vì vậy, nồng độ hydronium của nó giảm gần như tỉ lệ thuận với mức pha loãng 100 lần.
Y ban đầu có tổng lượng axit lớn hơn nhiều. Trước khi pha loãng, phần trăm ion hoá của nó là
\[ \frac{1.00\times10^{-3}}{0.0110}\times100 \approx9.1\% \]
Sau khi pha loãng, giá trị đó trở thành
\[ \frac{6.62\times10^{-5}}{1.10\times10^{-4}}\times100 \approx60.2\% \]
Việc pha loãng cho phép một phần lớn hơn nhiều của Y ion hoá, nhờ đó bù lại một phần lượng hydronium bị giảm do pha loãng.
Tuy vậy, Y không trở thành axit mạnh. \(K_a\) của nó vẫn là \(1.0\times10^{-4}\).
Sự phân biệt này – nồng độ cho biết có bao nhiêu axit hoặc bazơ hiện diện, còn \(K_a\) hoặc \(K_b\) mô tả độ mạnh cân bằng của nó – là điều bạn cần tiếp theo khi phân tích các cặp axit-bazơ liên hợp, dung dịch đệm, phản ứng trung hoà và đường cong chuẩn độ.