1. Khái niệm về dung lượng đệm (β)
Dung lượng đệm β được định nghĩa là:
\[\beta = \frac{dC_b}{d(\mathrm{pH})} = -\frac{dC_a}{d(\mathrm{pH})}\]
trong đó:
-
\(C_b\): lượng bazơ mạnh thêm vào (mol/L),
-
\(C_a\): lượng axit mạnh thêm vào (mol/L).
Ý nghĩa: β biểu thị mức độ “chống lại” sự thay đổi pH của dung dịch.
β càng lớn ⇒ dung dịch càng ổn định với các tác động axit/bazơ ⇒ khả năng đệm cao.
Đơn vị: mol·L⁻¹·pH⁻¹.
2. Nguồn gốc các thành phần đệm trong nước
Trong nước tự nhiên và nước thải, hệ đệm quan trọng nhất là hệ cacbonat:
Các hằng số cân bằng ở 25°C:
\[K_1 = 10^{-6.35}, \quad K_2 = 10^{-10.33}, \quad K_w = 10^{-14}\]
Bên cạnh đó, nước tự thân cũng tạo một hệ đệm rất yếu:
\[\mathrm{H_2O \leftrightharpoons H^+ + OH^-}\]
3. Biểu thức tổng quát của β
Từ các phương trình cân bằng và bảo toàn điện tích, có thể biểu diễn β như sau (★):
-
Hai hạng đầu: đệm cacbonat.
-
Hai hạng cuối: đệm nước (ion H⁺, OH⁻).
Ta sẽ xét ba khoảng pH để rút gọn biểu thức (★).
4. Chứng minh mô hình β theo ba vùng pH
(1) Vùng pH < 6
Ở pH thấp:
-
[H+]≫K1,K2
-
[OH−]=Kw/[H+]≪[H+]
Khi đó, các hạng cacbonat trong (★) gần như bằng 0, chỉ còn đệm nước:
\[\beta \approx 2.303\,[\mathrm{H^+}]\]
Ý nghĩa: pH càng thấp, càng cần ít H⁺ để thay đổi pH ⇒ β nhỏ, nước mất đệm.
(2) Vùng 6–9
Trong khoảng trung tính:
-
Các hạng H⁺ và OH⁻ rất nhỏ (10⁻⁶–10⁻⁷ mol/L).
-
Hệ cacbonat H₂CO₃/HCO₃⁻ chi phối.
Sau khi tuyến tính hóa quanh pH trung tính ...