Hằng số Bazơ (Kb) (Base Dissociation Constant)

Cơ chế phân ly của bazơ

Khi một bazơ (B) hòa tan trong nước, nó phản ứng với nước tạo thành ion hydroxide (OH^–) và axit liên hợp (BH⁺):

B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH^–(aq)

Biểu thức tính K_b

Hằng số bazơ K_b được tính bằng biểu thức sau:

K_b = \frac{[BH⁺][OH^–]}{[B]}

Trong đó:

• [BH⁺] là nồng độ của axit liên hợp.
• [OH^–] là nồng độ của ion hydroxide.
• [B] là nồng độ của bazơ chưa phân ly.

Lưu ý: Nồng độ của nước (H₂O) không được bao gồm trong biểu thức vì nó là dung môi và nồng độ của nó được xem là không đổi.

Mối liên hệ giữa K_b và pK_b

Tương tự như pH và pOH, pK_b là giá trị logarit âm của K_b:

pK_b = -log₁₀(K_b)

Giá trị pK_b càng nhỏ, bazơ càng mạnh. Ngược lại, giá trị pK_b càng lớn thì bazơ càng yếu.

Mối liên hệ giữa K_b và K_a

Đối với một cặp axit-bazơ liên hợp, K_a (hằng số axit) và K_b có liên quan với nhau thông qua hằng số ion hóa của nước (K_w):

K_a × K_b = K_w

Ở 25°C, K_w = 1.0 × 10^-14.

Mối quan hệ này cho thấy rằng axit càng mạnh (K_a lớn), bazơ liên hợp của nó càng yếu (K_b nhỏ) và ngược lại.

Ý nghĩa của K_b

• Định lượng độ mạnh yếu của bazơ: K_b cung cấp một giá trị số để so sánh độ mạnh yếu của các bazơ khác nhau.
• Dự đoán pH của dung dịch bazơ: K_b được sử dụng để tính toán nồng độ của ion OH^– và từ đó xác định pH của dung dịch bazơ.
• Hiểu rõ phản ứng axit-bazơ: K_b giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cân bằng axit-bazơ và khả năng phản ứng của các bazơ.

Ví dụ

Amoniac (NH₃) là một bazơ yếu. Khi hòa tan trong nước, nó phản ứng như sau:

NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH^–(aq)

K_b của amoniac ở 25°C là khoảng 1.8 × 10^-5. Giá trị K_b nhỏ này cho thấy amoniac là một bazơ yếu, chỉ một phần nhỏ các phân tử amoniac phản ứng với nước để tạo thành ion hydroxide.

Ứng dụng của K_b trong tính toán

K_b có thể được sử dụng để tính toán nồng độ các ion trong dung dịch bazơ và pH của dung dịch. Ví dụ, đối với bazơ yếu B:

• Tính nồng độ OH^–: Nếu biết K_b và nồng độ ban đầu của bazơ [B]₀, ta có thể tính gần đúng nồng độ OH^– bằng cách giả định x là nồng độ OH^– tạo thành (và cũng là nồng độ BH⁺) và [B] ≈ [B]₀ (xấp xỉ hợp lý khi K_b nhỏ):

K_b = \frac{x^2}{[B]_0} => x = \sqrt{K_b[B]_0} = [OH^–]

• Tính pOH và pH: Sau khi tính được [OH^–], ta có thể tính pOH và pH:

pOH = -log₁₀([OH^–])

pH = 14 – pOH

Các yếu tố ảnh hưởng đến K_b

Giá trị K_b phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

• Nhiệt độ: K_b thường tăng theo nhiệt độ.
• Bản chất của bazơ: Cấu trúc phân tử và độ âm điện của nguyên tố trung tâm ảnh hưởng đến khả năng nhận proton của bazơ.
• Dung môi: K_b được xác định trong dung môi nước. Trong các dung môi khác, hằng số phân ly bazơ sẽ khác.

So sánh K_b của các bazơ

So sánh K_b của các bazơ cho phép ta xác định bazơ nào mạnh hơn. Bazơ có K_b lớn hơn là bazơ mạnh hơn. Ví dụ:

• Methylamine (CH₃NH₂): K_b ≈ 4.4 × 10^-4
• Amoniac (NH₃): K_b ≈ 1.8 × 10^-5

Vì K_b của methylamine lớn hơn K_b của amoniac, methylamine là bazơ mạnh hơn amoniac.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education.
• Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2007). Chemistry. Houghton Mifflin Company.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu hỏi 1: Làm thế nào để phân biệt giữa bazơ mạnh và bazơ yếu dựa trên giá trị K_b?

Trả lời: Bazơ mạnh có K_b lớn (thường lớn hơn 1), nghĩa là chúng phân ly gần như hoàn toàn trong nước. Ngược lại, bazơ yếu có K_b nhỏ (thường nhỏ hơn 1), nghĩa là chúng chỉ phân ly một phần trong nước.

Câu hỏi 2: Nếu một bazơ có K_b = 1.0 x 10^-6, pK_b của nó là bao nhiêu?

Trả lời: pK_b = -log₁₀(K_b) = -log₁₀(1.0 x 10^-6) = 6.

Câu hỏi 3: Axit liên hợp của một bazơ yếu có K_b = 1.0 x 10^-5. Tính K_a của axit liên hợp này ở 25°C?

Trả lời: Ta biết K_a × K_b = K_w. Ở 25°C, K_w = 1.0 x 10^-14. Vậy, K_a = K_w / K_b = (1.0 x 10^-14) / (1.0 x 10^-5) = 1.0 x 10^-9.

Câu hỏi 4: Tại sao nồng độ của nước không xuất hiện trong biểu thức tính K_b?

Trả lời: Nồng độ của nước được xem là hằng số trong dung dịch loãng. Vì vậy, nó được gộp vào hằng số K_b. Việc này giúp đơn giản hóa biểu thức và không ảnh hưởng đến giá trị của K_b.

Câu hỏi 5: K_b có thay đổi theo nhiệt độ không? Nếu có, thì thay đổi như thế nào?

Trả lời: K_b phụ thuộc vào nhiệt độ. Nói chung, K_b tăng khi nhiệt độ tăng. Điều này là do phản ứng giữa bazơ và nước thường là phản ứng thu nhiệt. Khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, làm tăng nồng độ sản phẩm và do đó làm tăng K_b.