Khi thêm axit clohydric (HCl) vào dung dịch axit axetic (CH3COOH), sẽ có sự tương tác giữa các cân bằng hóa học liên quan. Để hiểu rõ ảnh hưởng của HCl, cần xem xét các phản ứng phân ly sau:
$$tag{1}ce{H2O(l) H+(aq) + OH-(aq)}$$
$$tag{2}ce{HCl(aq) -> H+(aq) + Cl-(aq)}$$
$$tag{3}ce{CH3COOH(aq) <=> H+(aq) + CH3COO-(aq)}$$
Nồng độ ion H+ trong cả ba phản ứng này liên quan mật thiết với nhau vì chúng xảy ra trong cùng một pha (dung dịch). Do đó, sự thay đổi nồng độ H+ do phản ứng (1) và (2) sẽ ảnh hưởng đến cân bằng của phản ứng (3).
Một câu hỏi thường gặp là liệu có thể tính toán nồng độ H+ tổng cộng bằng cách cộng nồng độ H+ do CH3COOH phân ly và nồng độ H+ do HCl phân ly, rồi từ đó tính pH hay không. Câu trả lời là không đơn giản như vậy. Việc cộng trực tiếp nồng độ H+ có thể dẫn đến sai lệch vì nó phá vỡ trạng thái cân bằng của phản ứng (3).
Để giải quyết vấn đề này, có hai phương pháp chính:
a) Giải hệ phương trình: Xây dựng một hệ phương trình bao gồm tất cả các cân bằng và giải chúng đồng thời. Đây là phương pháp ưu tiên nếu có công cụ giải phương trình.
b) Tiếp cận từng bước: Bắt đầu bằng cách xem xét các chất chiếm ưu thế trong dung dịch, bỏ qua các chất ít ảnh hưởng đến nồng độ H+ tổng cộng. Sau đó, xem xét đến các phản ứng phụ và các chất có nồng độ thấp hơn. Phương pháp này phù hợp khi tính toán bằng tay và không yêu cầu độ chính xác tuyệt đối.
Ước tính gần đúng ảnh hưởng của HCl đến CH3COOH
Sau khi trộn HCl và CH3COOH, ta có thể tính nồng độ ban đầu của chúng (bỏ qua sự phân ly):
c(CH3COOH) = 50 / 125 0.3 M = 0.12 M
c(HCl) = 75 / 125 0.2 = 0.12 M
Các bước tiếp theo để ước tính pH của dung dịch:
- HCl phân ly hoàn toàn: Tính nồng độ H+ và pH dựa trên sự phân ly hoàn toàn của HCl.
- Kiểm tra sự phân ly của CH3COOH: Xác định xem CH3COOH có phân ly đáng kể hay không trong môi trường có nồng độ H+ cao.
- Kiểm tra sự phân ly của nước: Đánh giá xem sự phân ly của nước có ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ H+ hay không.
Trong bước đầu tiên, ta giả định HCl phân ly hoàn toàn, do đó [H+] = 0.12 M và pH = 0.92. Tuy nhiên, đây chỉ là giá trị tạm thời vì chúng ta chưa xét đến sự phân ly của CH3COOH và nước.
alt: Phản ứng phân ly của axit axetic (CH3COOH) tạo ion axetat và hydro, cân bằng hóa học chịu ảnh hưởng bởi nồng độ H+ do HCl cung cấp.
Ở bước thứ hai, vì pH thấp (do HCl), ta có thể dự đoán rằng CH3COOH sẽ phân ly không đáng kể, trừ khi pH thay đổi lớn. Ta có thể tính nồng độ axetat ([CH3COO-]) giả định rằng nồng độ CH3COOH và H+ không thay đổi nhiều do sự phân ly của CH3COOH:
$$ [text{axetat}] = K_a * [text{axit axetic}] / ce{[H+]} = pu{1.8e−5} * 0.12 / 0.12 = 1.8e-5 M$$
Kết quả này cho thấy rằng nồng độ axetat rất nhỏ so với nồng độ H+ ban đầu, do đó giả định ban đầu của chúng ta là hợp lý. Nếu muốn, ta có thể cập nhật nồng độ H+ từ 0.12 M lên 0.1200018 M.
alt: Phân ly HCl thành ion H+ và Cl-, tăng nồng độ ion hydro trong dung dịch, ảnh hưởng đến cân bằng phân ly của axit axetic.
Ở bước thứ ba, ta xem xét sự phân ly của nước. Vì pH có tính axit, sự phân ly của nước sẽ rất nhỏ. Ta có thể tính nồng độ hydroxit ([OH-]) giả định rằng nồng độ H+ không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự phân ly của nước:
[OH-] = Kw / [H+] = 1.0e-14 / 0.12 ≈ 8.3e-14 M
Nếu muốn, ta có thể cập nhật nồng độ H+ từ 0.120018 M lên 0.120018000000013 M và pH là 0.92075. Tuy nhiên, những thay đổi này rất nhỏ và có thể bỏ qua do độ chính xác hạn chế của hằng số phân ly axit (Ka) của CH3COOH (thường chỉ có 2 chữ số có nghĩa).
Tóm lại, việc thêm HCl vào dung dịch CH3COOH làm tăng đáng kể nồng độ H+, ức chế sự phân ly của CH3COOH và giảm pH của dung dịch. Mặc dù có thể tính toán gần đúng pH bằng cách xem xét từng bước, việc giải hệ phương trình đồng thời sẽ cho kết quả chính xác hơn.
alt: So sánh pH dung dịch CH3COOH trước và sau khi thêm HCl, minh họa sự giảm pH do tăng nồng độ ion hydro.
