Chỉ cần nhỏ vài giọt nước cốt chanh vào nước, vị nước sẽ nhanh chóng trở nên chua. Đó là vì chỉ một lượng nhỏ axit cũng làm độ axit của nước thay đổi đáng kể. Thế nhưng, máu trong cơ thể chúng ta vẫn giữ pH trong khoảng rất hẹp từ 7.35 đến 7.45, dù axit liên tục được tạo ra khi chúng ta ăn uống và vận động. Dung dịch có khả năng giữ pH ổn định ngay cả khi có axit hoặc bazơ đi vào như vậy được gọi là “dung dịch đệm (Buffer Solution)”.
Dung dịch đệm là dung dịch chứa đồng thời một axit yếu và bazơ liên hợp của nó, hoặc một bazơ yếu và axit liên hợp của nó, nên pH gần như không thay đổi khi thêm một ít axit hoặc bazơ. Khoảng thời gian nhà hóa học Đan Mạch Søren Sørensen đề xuất thang đo pH vào năm 1909, thuật ngữ “đệm” cũng bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Ngày nay, nguyên lý này được ứng dụng rộng khắp, từ duy trì sự sống đến dược phẩm, mỹ phẩm và phòng thí nghiệm.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ khái niệm và nguyên lý hoạt động của dung dịch đệm đến cách tính pH, hoạt động đệm trong cơ thể và các ví dụ ứng dụng trong đời sống cũng như công nghiệp.
Nguyên lý và ứng dụng của dung dịch đệm
Dung dịch đệm là gì?
Nước tinh khiết có pH bằng 7, nhưng chỉ cần thêm một ít axit hoặc bazơ, pH sẽ biến động mạnh. Trong khi đó, với cùng lượng chất thêm vào, pH của dung dịch đệm gần như giữ nguyên. Bí quyết nằm ở chỗ dung dịch đã có sẵn đồng thời các thành phần có thể tiếp nhận axit và bazơ được đưa vào.
(1) Cặp axit yếu và bazơ liên hợp
Ví dụ tiêu biểu là dung dịch pha trộn axit axetic với natri axetat. Axit axetic là một axit yếu có thể nhường ion hiđrô, còn ion axetat là bazơ liên hợp có thể nhận ion hiđrô.
(2) Các loại dung dịch đệm
Dung dịch đệm có thể được chia thành hai loại tùy theo cặp thành phần được sử dụng.
- Dung dịch đệm axit (Acidic Buffer): Được tạo từ một axit yếu và bazơ liên hợp của nó, duy trì pH trong khoảng thấp hơn 7, chẳng hạn như dung dịch axit axetic và natri axetat.
- Dung dịch đệm bazơ (Basic Buffer): Được tạo từ một bazơ yếu và axit liên hợp của nó, duy trì pH trong khoảng cao hơn 7, chẳng hạn như dung dịch amoniac và amoni clorua.
Dung dịch đệm giữ pH như thế nào?
Hai thành phần trong dung dịch đệm hoạt động như những người gác cổng canh giữ hai phía. Dù kẻ xâm nhập đi vào từ phía nào, người gác cổng tương ứng cũng sẽ ra giữ lại.
(1) Khi axit đi vào
Khi thêm một axit mạnh như axit clohiđric, lượng ion hiđrô tăng lên. Lúc này, bazơ liên hợp là ion axetat kết hợp với ion hiđrô và chuyển thành axit yếu là axit axetic, nên lượng ion hiđrô tự do không tăng nhiều.
(2) Khi bazơ đi vào
Khi thêm một bazơ mạnh như natri hiđroxit, lượng ion hiđroxit tăng lên. Lần này, axit axetic nhường ion hiđrô để kết hợp với ion hiđroxit tạo thành nước, nên pH gần như không tăng.
(3) Phương trình Henderson–Hasselbalch
Năm 1908, nhà hóa sinh người Mỹ Lawrence Henderson đã biểu diễn mối quan hệ giữa các thành phần của dung dịch đệm và nồng độ ion hiđrô bằng một phương trình. Đến năm 1916, Karl Hasselbalch người Đan Mạch đã chuyển phương trình này sang dạng pH. Đó là phương trình pH = pKa + log([bazơ liên hợp] ÷ [axit yếu]). Khi lượng hai thành phần bằng nhau, pH bằng pKa của axit đó; với axit axetic, giá trị này xấp xỉ 4.76. Hiệu quả đệm thể hiện rõ nhất khi pH nằm trong khoảng cao hơn hoặc thấp hơn pKa khoảng 1 đơn vị.
Cơ thể chúng ta giữ pH như thế nào?
Bản thân cơ thể chúng ta là một hệ thống đệm khổng lồ. Cacbon đioxit do tế bào tạo ra trong quá trình hô hấp hòa tan vào nước và trở thành axit cacbonic. Nếu không xử lý được axit này, máu sẽ nhanh chóng chuyển về phía axit.
(1) Hệ đệm axit cacbonic–ion hiđrocacbonat
Hệ thống đệm quan trọng nhất của máu là cặp axit cacbonic và ion hiđrocacbonat. Trong máu bình thường, lượng ion hiđrocacbonat nhiều gấp khoảng 20 lần lượng cacbon đioxit hòa tan, giúp pH duy trì quanh mức 7.4.
(2) Sự phối hợp giữa phổi và thận
Hệ đệm này đặc biệt mạnh vì cơ thể trực tiếp điều chỉnh cả hai thành phần. Phổi thay đổi lượng cacbon đioxit thải ra bằng cách thở nhanh hoặc chậm, còn thận tái hấp thu hoặc thải ion hiđrocacbonat để duy trì cân bằng.
(3) Các hệ đệm khác
Bên trong tế bào, hệ đệm photphat, còn trong máu, các protein như hemoglobin cùng tiếp nhận ion hiđrô để duy trì pH.
Dung dịch đệm được sử dụng ở đâu?
Dung dịch đệm được sử dụng ở bất cứ nơi nào mà chỉ một biến động nhỏ của pH cũng có thể làm thay đổi kết quả.
- Dược phẩm (Pharmaceuticals): Thuốc nhỏ mắt và thuốc tiêm được bổ sung thành phần đệm vì cần có pH phù hợp với nước mắt và máu để giảm kích ứng và duy trì tác dụng của thuốc lâu hơn.
- Mỹ phẩm (Cosmetics): Dầu gội và sữa rửa mặt được điều chỉnh pH bằng các thành phần như axit citric để duy trì tính axit nhẹ phù hợp với da và da đầu.
- Thí nghiệm khoa học sự sống (Life Science Research): Enzyme và protein rất nhạy cảm với pH, nên khi làm thí nghiệm, chúng được xử lý trong các dung dịch như dung dịch muối đệm photphat.
- Chế biến thực phẩm (Food Processing): Khi sản xuất đồ uống hoặc mứt, các thành phần đệm giúp duy trì ổn định vị chua, màu sắc và khả năng bảo quản.
Tuy nhiên, dung dịch đệm cũng có giới hạn. Khi lượng axit hoặc bazơ được đưa vào vượt quá lượng thành phần đệm, dung dịch không còn ngăn được biến động và pH sẽ thay đổi đột ngột. Giới hạn này được gọi là dung lượng đệm, và nồng độ các thành phần càng cao thì dung lượng đệm càng lớn.
Dung dịch đệm cho thấy sức mạnh giữ vững trạng thái trước những biến động dữ dội đến từ cặp thành phần đã được chuẩn bị sẵn. Cũng như cơ thể chúng ta luôn duy trì cân bằng axit và bazơ trong từng khoảnh khắc, việc có sẵn khả năng tiếp nhận những thay đổi là điều quan trọng.
Chuẩn bị sẵn để đón nhận những biến động chính là bước đầu tiên của sự khôn ngoan trong việc giữ gìn sự ổn định.
