Hằng số Phân ly/Điện ly (Dissociation Constant)

Quá trình phân ly của các chất:

Khi một chất hòa tan trong dung môi, nó có thể phân ly thành các ion cấu thành. Quá trình này diễn ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng động, tại đó tốc độ phân ly bằng tốc độ tái hợp của các ion. Dưới đây là một số ví dụ về quá trình phân ly:

• Axit: $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$ (Trong đó, $HA$ là axit, $H^+$ là ion hydro, và $A^-$ là anion gốc axit)
• Bazơ: $BOH \rightleftharpoons B^+ + OH^-$ (Trong đó, $BOH$ là bazơ, $B^+$ là cation kim loại, và $OH^-$ là ion hydroxit)
• Muối: $AB \rightleftharpoons A^+ + B^-$ (Trong đó, $AB$ là muối, $A^+$ là cation, và $B^-$ là anion)
• Phức chất: $[ML_n] \rightleftharpoons M + nL$ (Trong đó, $[ML_n]$ là phức chất, $M$ là ion trung tâm, và $L$ là phối tử)

Biểu thức tính hằng số phân ly

Giá trị của hằng số phân ly được tính bằng tỉ lệ nồng độ của các sản phẩm phân ly so với nồng độ chất ban đầu ở trạng thái cân bằng. Ví dụ, đối với một axit yếu $HA$ phân ly trong nước:

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

Trong đó:

• $[H^+]$ là nồng độ ion hydro (hay chính xác hơn là ion hydronium, $H_3O^+$).
• $[A^-]$ là nồng độ anion (bazơ liên hợp của axit).
• $[HA]$ là nồng độ axit chưa phân ly.

Tương tự, đối với một bazơ yếu $BOH$:

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

Trong đó:

• $[B^+]$ là nồng độ cation.
• $[OH^-]$ là nồng độ ion hydroxide.
• $[BOH]$ là nồng độ base chưa phân li

Ý nghĩa của hằng số phân ly

• Giá trị $K_d$ lớn: Cho thấy chất phân ly mạnh, tức là phần lớn chất tan phân ly thành các ion khi hòa tan. Axit mạnh và bazơ mạnh có $K_a$ và $K_b$ rất lớn (thường coi là phân ly hoàn toàn).
• Giá trị $K_d$ nhỏ: Cho thấy chất phân ly yếu, tức là chỉ một phần nhỏ chất tan phân ly thành các ion khi hòa tan. Axit yếu và bazơ yếu có $K_a$ và $K_b$ nhỏ.

Mối quan hệ giữa $K_a$ và $K_b$

Đối với một cặp axit-bazơ liên hợp (ví dụ: $HA$ và $A^-$), $K_a$ (hằng số phân ly của axit) và $K_b$ (hằng số phân ly của bazơ liên hợp) có mối quan hệ với nhau thông qua hằng số ion của nước ($K_w$):

$K_a \times K_b = K_w$

Ở 25°C, $K_w = 1.0 \times 10^{-14}$. Điều này có nghĩa là, nếu biết $K_a$ của một axit, ta có thể tính được $K_b$ của bazơ liên hợp của nó và ngược lại.

Ứng dụng của hằng số phân ly

Hằng số phân ly có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học và các lĩnh vực liên quan, bao gồm:

• Đánh giá độ mạnh của axit và bazơ: $K_a$ và $K_b$ cho biết mức độ phân ly của axit và bazơ, từ đó xác định được độ mạnh tương đối của chúng.
• Tính toán pH của dung dịch: Dựa vào $K_a$ hoặc $K_b$ và nồng độ ban đầu của axit hoặc bazơ, có thể tính được pH của dung dịch.
• Dự đoán chiều hướng của phản ứng hóa học: Hằng số phân ly giúp xác định trạng thái cân bằng của các phản ứng liên quan đến axit và bazơ, từ đó dự đoán chiều hướng ưu tiên của phản ứng.
• Hiểu về các quá trình sinh học và môi trường: Hằng số phân ly đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích các quá trình sinh hóa (ví dụ: hoạt động của enzyme) và các quá trình hóa học trong môi trường (ví dụ: sự hòa tan của các chất ô nhiễm).
• Thiết kế và tối ưu hóa các quá trình hóa học: Trong công nghiệp hóa chất, hằng số phân li được sử dụng để tối ưu hóa các quá trình như chiết, hấp thụ và các phản ứng hóa học khác.

pK – Thang đo tiện lợi

Thay vì sử dụng trực tiếp giá trị $K_a$ và $K_b$, người ta thường sử dụng giá trị pK (viết tắt của “potenz” trong tiếng Đức, có nghĩa là “lũy thừa”) để biểu diễn hằng số phân ly. pK được định nghĩa là logarit thập phân âm của hằng số phân ly:

$pK_a = -log_{10}(K_a)$
$pK_b = -log_{10}(K_b)$

Giá trị pK càng nhỏ thì chất càng phân ly mạnh. Ví dụ, axit mạnh có p$K_a$ âm, axit yếu có p$K_a$ dương, bazơ mạnh có p$K_b$ âm và bazơ yếu có p$K_b$ dương. Sử dụng pK giúp biểu diễn các giá trị hằng số phân ly một cách gọn gàng và dễ so sánh hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hằng số phân ly

Hằng số phân ly không phải là một hằng số tuyệt đối mà phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

• Nhiệt độ: Hằng số phân ly thường thay đổi theo nhiệt độ. Mối quan hệ này thường được biểu diễn bằng phương trình Van’t Hoff, mô tả sự phụ thuộc của hằng số cân bằng vào nhiệt độ.
• Dung môi: Bản chất của dung môi ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phân ly của chất tan. Hằng số phân ly thường được xác định trong nước, nhưng nó có thể khác nhau đáng kể trong các dung môi khác do khả năng solvat hóa ion và tương tác giữa dung môi và chất tan.
• Lực ion của dung dịch: Sự có mặt của các ion khác trong dung dịch có thể ảnh hưởng đến hoạt độ (hoạt độ là nồng độ “hiệu dụng” trong các hệ không lý tưởng) của các ion tham gia vào quá trình phân ly, do đó ảnh hưởng đến hằng số phân ly. Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng ở nồng độ ion cao.
• Hiệu ứng đồng ion: Khi thêm một ion chung (có mặt trong sản phẩm phân li) vào dung dịch sẽ làm giảm độ điện li của chất điện li yếu (chuyển dịch cân bằng về phía tạo chất không điện li).

Phân biệt giữa hằng số phân ly và hằng số cân bằng

Mặc dù hằng số phân ly ($K_d$) thường được sử dụng để mô tả quá trình phân ly, nhưng nó thực chất là một dạng đặc biệt của hằng số cân bằng ($K$). Hằng số cân bằng được áp dụng cho bất kỳ phản ứng thuận nghịch nào, trong khi hằng số phân ly chỉ áp dụng cho các phản ứng phân ly của chất tan trong dung môi. Đối với phản ứng phân ly, $K_d$ và $K$ có giá trị bằng nhau.

Ví dụ về hằng số phân ly của một số chất

Hằng số phân ly trong các lĩnh vực khác

Khái niệm về hằng số phân ly không chỉ giới hạn trong hóa học dung dịch mà còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác, ví dụ như:

• Hóa sinh: Hằng số phân ly được sử dụng để nghiên cứu sự liên kết của các phân tử sinh học, ví dụ như liên kết enzyme-cơ chất, liên kết protein-ligand, hoặc tương tác giữa các protein. Các hằng số này cung cấp thông tin về ái lực liên kết và độ đặc hiệu của các tương tác này.
• Khoa học môi trường: Hằng số phân ly giúp hiểu về sự phân bố và vận chuyển của các chất ô nhiễm trong môi trường, chẳng hạn như sự hấp thụ của kim loại nặng vào đất hoặc sự phân ly của các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước.
• Kỹ thuật hóa học: Hằng số phân ly được sử dụng trong thiết kế và vận hành các quá trình hóa học, ví dụ như quá trình chiết xuất (tách các chất dựa trên độ tan khác nhau) và hấp phụ (tách các chất dựa trên khả năng bám dính vào bề mặt).

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education Limited.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Làm thế nào để phân biệt giữa hằng số phân ly $K_a$ của một axit đa chức (ví dụ: H2SO4) với $K_a$ của một axit đơn chức (ví dụ: HCl)?

Trả lời: Axit đa chức có nhiều hằng số phân ly, tương ứng với mỗi lần phân ly của proton. Ví dụ, H2SO4 có hai hằng số phân ly: $K{a1}$ cho lần phân ly đầu tiên (H2SO4 ⇌ H+ + HSO4-) và $K{a2}$ cho lần phân ly thứ hai (HSO4- ⇌ H+ + SO42-). $K{a1}$ thường lớn hơn $K{a2}$ rất nhiều vì việc tách proton thứ hai khỏi ion mang điện tích âm (HSO4-) khó khăn hơn. Axit đơn chức chỉ có một hằng số phân ly $K_a$.

Câu 2: Ảnh hưởng của lực ion đến hằng số phân ly được giải thích như thế nào?

Trả lời: Lực ion, đại diện cho nồng độ tổng thể của các ion trong dung dịch, ảnh hưởng đến hoạt độ của các ion tham gia vào phản ứng phân ly. Ở lực ion cao, các ion bị “che chắn” bởi các ion khác, làm giảm tương tác giữa chúng. Điều này có thể làm tăng hoặc giảm hằng số phân ly tùy thuộc vào bản chất của phản ứng. Hiệu ứng này thường được mô tả bằng lý thuyết Debye-Hückel.

Câu 3: Tại sao hằng số phân ly lại phụ thuộc vào nhiệt độ?

Trả lời: Phân ly là một quá trình thường liên quan đến sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt. Theo nguyên lý Le Chatelier, khi nhiệt độ thay đổi, cân bằng sẽ dịch chuyển để giảm thiểu sự thay đổi đó. Nếu phân ly là quá trình thu nhiệt (hấp thụ nhiệt), tăng nhiệt độ sẽ làm tăng hằng số phân ly. Ngược lại, nếu phân ly là quá trình tỏa nhiệt (giải phóng nhiệt), tăng nhiệt độ sẽ làm giảm hằng số phân ly.

Câu 4: Làm thế nào để sử dụng hằng số phân ly để tính pH của dung dịch axit yếu?

Trả lời: Đối với một axit yếu HA với nồng độ ban đầu $C_a$ và hằng số phân ly $K_a$, ta có thể thiết lập phương trình cân bằng: $K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$. Giả sử x là nồng độ H+ được tạo ra từ sự phân ly của axit, ta có $[H^+] = [A^-] = x$ và $[HA] = C_a – x$. Thay vào phương trình trên, ta có $K_a = \frac{x^2}{C_a – x}$. Nếu $K_a$ nhỏ so với $C_a$, ta có thể xấp xỉ $C_a – x \approx C_a$, dẫn đến $x = \sqrt{K_aC_a}$. Từ đó, pH được tính bằng $pH = -log[H^+] = -log(x)$.

Câu 5: Ngoài $K_a$ và $K_b$, còn có loại hằng số phân ly nào khác không?

Trả lời: Có, ngoài $K_a$ và $K_b$, còn có $K_d$ dùng chung cho các phản ứng phân ly khác, ví dụ như phân ly của phức chất ($K_f$ là hằng số tạo phức, nghịch đảo của $Kd$ phân ly phức), sự hòa tan của các chất ít tan ($K{sp}$ – hằng số tích số tan), và phân ly của các hợp chất không phải axit hay bazơ. Bản chất của hằng số phân ly vẫn giống nhau, thể hiện mức độ phân ly của chất.