Hằng số điện li (Ionization constant/Dissociation constant/Ka/Kb)

Axit

Đối với một axit HA phản ứng với nước theo phương trình:

$HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^-$

Hằng số điện li axit ($K_a$) được định nghĩa là:

$K_a = \frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}$

Trong đó:

• $[H_3O^+]$ là nồng độ ion hydronium (mol/L).
• $[A^-]$ là nồng độ bazơ liên hợp của axit (mol/L).
• $[HA]$ là nồng độ axit chưa phân li (mol/L).

Cần lưu ý rằng nồng độ của nước ($[H_2O]$) được xem là hằng số và không xuất hiện trong biểu thức tính $K_a$. Điều này là do nước luôn ở dạng lỏng và nồng độ của nó thay đổi không đáng kể trong quá trình điện li của axit. Ngoài ra, $K_a$ phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở một nhiệt độ xác định, $K_a$ của một axit là một giá trị không đổi.

Bazơ

Đối với một bazơ B phản ứng với nước theo phương trình:

$B + H_2O \rightleftharpoons BH^+ + OH^-$

Hằng số điện li bazơ ($K_b$) được định nghĩa là:

$K_b = \frac{[BH^+][OH^-]}{[B]}$

Trong đó:

• $[BH^+]$ là nồng độ axit liên hợp của bazơ (mol/L).
• $[OH^-]$ là nồng độ ion hydroxide (mol/L).
• $[B]$ là nồng độ bazơ chưa phân li (mol/L).

Tương tự như $K_a$, nồng độ nước ($[H_2O]$) cũng không xuất hiện trong biểu thức tính $K_b$ và $K_b$ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.

Mối quan hệ giữa $K_a$ và $K_b$

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

$K_a \times K_b = K_w$

Ở 25°C, $K_w = 1.0 \times 10^{-14}$. Mối quan hệ này cho thấy rằng axit càng mạnh ($K_a$ lớn) thì bazơ liên hợp của nó càng yếu ($K_b$ nhỏ) và ngược lại.

pKa và pKb

Để thuận tiện hơn trong việc biểu diễn và so sánh độ mạnh yếu của axit và bazơ, người ta thường sử dụng pKa và pKb, được định nghĩa là logarit âm của $K_a$ và $K_b$:

$pK_a = -log(K_a)$

$pK_b = -log(K_b)$

Giá trị pKa và pKb càng nhỏ thì axit và bazơ càng mạnh. Tương tự như mối quan hệ giữa $K_a$ và $K_b$, ta cũng có: $pK_a + pK_b = 14$ (ở 25°C).

Ý nghĩa của hằng số điện li

Hằng số điện li mang nhiều ý nghĩa quan trọng trong hóa học:

• Định lượng độ mạnh yếu của axit và bazơ: Hằng số điện li cho phép so sánh độ mạnh của các axit và bazơ khác nhau. Axit có $K_a$ (hoặc pKa nhỏ) lớn hơn sẽ mạnh hơn axit có $K_a$ nhỏ hơn. Tương tự, bazơ có $K_b$ (hoặc pKb nhỏ) lớn hơn sẽ mạnh hơn bazơ có $K_b$ nhỏ hơn.
• Dự đoán chiều của phản ứng axit-bazơ: Hằng số điện li có thể được sử dụng để dự đoán chiều của phản ứng trung hòa giữa axit và bazơ. Phản ứng sẽ ưu tiên diễn ra theo chiều tạo thành axit và bazơ yếu hơn.
• Tính toán pH của dung dịch: Hằng số điện li được sử dụng để tính pH của dung dịch axit và bazơ. Từ giá trị $K_a$ hoặc $K_b$, ta có thể tính được nồng độ $H_3O^+$ hoặc $OH^-$ và từ đó tính được pH.

Lưu ý

• Hằng số điện li chỉ áp dụng cho các axit và bazơ yếu. Axit và bazơ mạnh được coi là phân li hoàn toàn trong dung dịch, nên không có giá trị $K_a$ và $K_b$ xác định.
• Hằng số điện li phụ thuộc vào nhiệt độ.

Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử đến Ka và Kb

Độ mạnh của axit và bazơ, và do đó Ka và Kb của chúng, bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố liên quan đến cấu trúc phân tử:

• Đối với axit:
  • Độ âm điện: Độ âm điện của nguyên tử liên kết với hydro càng cao, axit càng mạnh.
  • Kích thước nguyên tử: Kích thước nguyên tử trung tâm càng lớn, axit càng mạnh.
  • Hiệu ứng cảm ứng: Các nhóm hút electron (như -NO2, -CN, halogens) làm tăng độ mạnh của axit. Các nhóm đẩy electron (như -CH3, -NH2) làm giảm độ mạnh của axit.
  • Hiệu ứng cộng hưởng: Sự phân bố lại electron thông qua cộng hưởng có thể ổn định bazơ liên hợp, làm tăng độ mạnh của axit.
• Đối với bazơ:
  • Khả năng sẵn có của cặp electron: Bazơ càng dễ dàng cho đi cặp electron, bazơ càng mạnh.
  • Hiệu ứng cảm ứng và cộng hưởng: Tương tự như axit, các nhóm đẩy electron làm tăng độ mạnh của bazơ, trong khi các nhóm hút electron làm giảm độ mạnh của bazơ.

Ví dụ

So sánh độ mạnh của axit axetic (CH3COOH) và axit trifluoroaxetic (CF3COOH). Axit trifluoroaxetic mạnh hơn nhiều so với axit axetic do hiệu ứng hút electron mạnh của ba nguyên tử flo.

Ứng dụng của Ka và Kb

Việc hiểu biết về Ka và Kb có nhiều ứng dụng trong hóa học, bao gồm:

• Đệm: Ka và Kb rất quan trọng trong việc thiết kế và hiệu hoạt động của dung dịch đệm.
• Phân tích hóa học: Ka và Kb được sử dụng trong các phép chuẩn độ axit-bazơ để xác định nồng độ của axit hoặc bazơ chưa biết.
• Dược phẩm: Ka và Kb giúp dự đoán sự hấp thụ và phân bố thuốc trong cơ thể.
• Hóa học môi trường: Ka và Kb đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu độ axit của nước mưa và các hệ thống nước tự nhiên.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.
• Zumdahl, S. S., & DeCoste, D. J. (2017). Chemical Principles. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm sao để dự đoán được tính axit tương đối của hai axit dựa trên cấu trúc phân tử của chúng mà không cần tra cứu giá trị Ka?

Trả lời: Có thể dự đoán tính axit tương đối bằng cách xem xét một số yếu tố cấu trúc. Ví dụ, độ âm điện của nguyên tử liên kết với hydro càng cao, axit càng mạnh. Kích thước của nguyên tử trung tâm cũng đóng vai trò: nguyên tử lớn hơn thường tạo thành axit mạnh hơn. Ngoài ra, các nhóm hút electron (như halogens, -NO2) làm tăng tính axit, trong khi các nhóm đẩy electron (như alkyl) làm giảm tính axit. Hiệu ứng cộng hưởng cũng có thể ổn định anion carboxylate, làm tăng tính axit.

Tại sao Ka của axit yếu lại không phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của axit?

Trả lời: $K_a$ là một hằng số ở nhiệt độ nhất định. Mặc dù nồng độ các chất tham gia và sản phẩm tại trạng thái cân bằng sẽ thay đổi theo nồng độ ban đầu, tỷ lệ giữa chúng (biểu thức của $K_a$) vẫn không đổi. Điều này chỉ đúng với axit và bazơ yếu.

$K_a$ và $K_b$ có thể được sử dụng để tính toán pH của dung dịch như thế nào?

Trả lời: Đối với một axit yếu HA, ta có thể thiết lập biểu thức $K_a = \frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}$. Với một số giả định hợp lý (ví dụ: độ điện ly nhỏ), ta có thể đơn giản hóa biểu thức và giải ra $[H_3O^+]$, từ đó tính được pH = $-log[H_3O^+]$. Tương tự, đối với bazơ yếu, ta có thể tính $[OH^-]$ từ $K_b$ và sau đó tính pOH, rồi từ đó suy ra pH thông qua công thức pH + pOH = 14.

Ngoài chuẩn độ, còn phương pháp nào khác để xác định Ka của một axit?

Trả lời: Có một số phương pháp khác để xác định $K_a$, bao gồm đo độ dẫn điện, đo phổ UV-Vis (đối với axit/bazơ có màu), và sử dụng các phương pháp điện hóa như đo pH.

Hiệu ứng đồng phần (solvent effect) ảnh hưởng đến Ka như thế nào?

Trả lời: Dung môi có thể ảnh hưởng đáng kể đến $K_a$. Ví dụ, một dung môi phân cực có thể ổn định các ion tạo thành khi axit phân ly, do đó làm tăng $K_a$. Ngược lại, một dung môi không phân cực sẽ ít ổn định các ion, dẫn đến $K_a$ thấp hơn. Độ mạnh của liên kết hydro giữa dung môi và chất tan cũng có thể đóng một vai trò quan trọng.