Hằng số điện ly acid

Hằng số điện ly acid hay hằng số phân ly acid (K_a) là một thước đo định lượng thể hiện độ mạnh của một acid trong dung dịch. Đây là hằng số cân bằng của phản ứng hóa học

${\displaystyle {\ce {HA <=> A^- + H^+}}}$

mà trong phản ứng acid–base thì là phản ứng phân ly. Trong đó, HA là một acid mà phân ly thành A⁻ (A⁻ là base liên hợp của acid còn HA là acid liên hợp) và H⁺ là ion hydro.^[a] Trong ví dụ thể hiện trong hình, HA đại diện cho acid acetic, và A⁻ đại diện cho ion acetat.

Acid acetic, CH₃COOH, gồm một nhóm methyl, CH₃, liên kết cộng hóa trị với một nhóm carboxyl, COOH. Nhóm carboxyl có thể mất một proton và "tặng" nó cho một phân tử nước, H₂O, tạo ra anion acetat CH₃COO⁻ và cation hydroni (H
3O+
).

Các thành phần HA, A⁻ and H₃O⁺ được coi là ở trạng thái cân bằng khi nồng độ của chúng không thay đổi theo thời gian. Hằng số phân ly thường được viết như là một tỷ số của nồng độ cân bằng (đơn vị mol/L), được biểu thị bằng [HA], [A⁻] và [H₃O⁺]:

${\displaystyle K_{\mathrm {a} }=\mathrm {\frac {[A^{-}][H_{3}O^{+}]}{[HA][H_{2}O]}} }$

Trong đa số trường hợp, nồng độ nước có thể được coi là hằng số = 1 và có thể bỏ qua. Vì vậy, có thể viết đơn giản hơn là:

${\displaystyle \mathrm {HA\rightleftharpoons A^{-}+H^{+}} :K_{\mathrm {a} }=\mathrm {\frac {[A^{-}][H^{+}]}{[HA]}} }$

pK_a là định nghĩa được sử dụng phổ biến và thực tế hơn được tính như sau:

${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }=-\log _{10}\left(K_{\mathrm {a} }\right)}$^[b]

Định nghĩa

Theo định nghĩa ban đầu của Svante Arrhenius, acid là chất phân ly trong dung dịch nước, giải phóng ion H+
(một proton):^[1]

${\displaystyle {\ce {HA <=> A- + H+}}}$

Hằng số cân bằng cho phản ứng phân ly này được gọi là hằng số phân ly. Proton được giải phóng kết hợp với một phân tử nước để tạo ra ion hydroni (hoặc oxoni) H
3O+
(các proton đơn độc không tồn tại trong dung dịch), vì vậy, sau đó Arrhenius đề xuất rằng sự phân ly nên được viết dưới dạng phản ứng acid–base:

${\displaystyle {\ce {HA + H2O <=> A- + H3O+}}}$

Brønsted và Lowry đã khái quát hóa điều này hơn nữa thành phản ứng trao đổi proton:^[2][3][4]

${\displaystyle {\text{acid}}+{\text{base }}{\ce {<=>}}{\text{ base liên hợp}}+{\text{acid liên hợp}}}$

Ghi chú

1. Trong dung dịch với dung môi là nước, ion hydro sẽ kết hợp với phân tử nước để tạo thành hydroni: H+
   + H
   2O → H
   3O+
   .
2. pK_a đôi khi được gọi là hằng số điện ly acid, nhưng xét một cách chính xác thì điều này không đúng, vì hằng số điện ly acid là K_a trong khi pK_a là logarit nghịch đảo của hằng số đó.