AP Chemistry

acid liên hợp

conjugate acid

Còn gọi: axit liên hợp · HB+ · conjugate acid HB+ · acid liên hiệp

Acid liên hợp là chất được tạo thành khi một bazơ nhận thêm một proton.

Theo thuyết Brønsted-Lowry, một bazơ là tiểu phân có khả năng nhận ion $H^+$ . Khi bazơ này nhận thêm một ion $H^+$ , nó biến đổi thành một chất mới gọi là acid liên hợp (conjugate acid). Quá trình này không chỉ đơn thuần là sự cộng hưởng điện tích mà còn thiết lập mối quan hệ gắn kết giữa chất nhận và sản phẩm tạo thành trong một hệ cân bằng. Sự chuyển dịch ion $H^+$ này là cốt lõi của mọi phản ứng axit-bazơ trong dung dịch nước (aqueous solution).

Ta có thể biểu diễn sự chuyển hóa này qua phương trình tổng quát $B + H^+ \rightleftharpoons HB^+$ . Trong biểu thức trên, $B$ đóng vai trò là bazơ và $HB^+$ là acid liên hợp tương ứng. Nhờ đó, ta thấy rõ cấu tạo của acid liên hợp chỉ hơn bazơ ban đầu đúng một nguyên tử hydro và mang thêm một đơn vị điện tích dương. Ví dụ, khi amoniac ( $NH_3$ ) nhận một ion $H^+$ , nó trở thành ion amoni ( $NH_4^+$ ), một acid liên hợp điển hình có khả năng nhường lại ion $H^+$ cho nước.

Tuy nhiên, độ mạnh yếu của cặp chất này lại biến thiên theo chiều ngược nhau. Bazơ càng mạnh thì càng ưu tiên nhận ion $H^+$ , khiến acid liên hợp sinh ra trở nên kém bền và khó nhường lại ion $H^+$ đó. Ngược lại, một bazơ yếu (weak base) lại tạo ra acid liên hợp tương đối mạnh, sẵn sàng phân ly để trả lại ion $H^+$ cho môi trường dung dịch. Mối quan hệ nghịch đảo này giúp thí sinh dự đoán được chiều hướng của phản ứng thuận nghịch khi so sánh độ bền của các tiểu phân tham gia.

Ký hiệu

HB^+

B

Trực giác: Nếu bazơ là một người tay trống chờ nhận quà, thì acid liên hợp chính là người đó sau khi đã cầm món quà trên tay.

Công thức

\htmlClass{fp-3}{\htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-0}{K_a} \cdot \htmlClass{fp-1}{K_b}} = K_w}

Dùng để tính $K_a$ của acid liên hợp khi biết $K_b$ của base (hoặc ngược lại), trong mọi cặp acid-base liên hợp theo thuyết Brønsted–Lowry

Trong đó

K_a

hằng số phân ly acid của acid trong cặp liên hợp

K_b

hằng số phân ly base của base liên hợp

K_w

tích số ion của nước, bằng

1{,}0 \times 10^{-14}

ở 25°C

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1923Johannes Nicolaus BrønstedThomas Martin Lowry

Khái niệm acid liên hợp ra đời năm 1923, khi hai nhà hóa lý Johannes Nicolaus Brønsted (Đan Mạch) và Thomas Martin Lowry (Anh) độc lập đề xuất cách định nghĩa acid và base dựa trên sự trao đổi proton, thay vì dựa trên việc phân li trong nước.

Trước năm 1923, acid và base được hiểu theo quan điểm Arrhenius: acid là chất phân li cho ion $\mathrm{H^+}$ trong dung dịch nước, còn base cho ion $\mathrm{OH^-}$ . Cách hiểu đó buộc mọi phản ứng phải xảy ra trong nước và không giải thích được vì sao nhiều chất không chứa nhóm $\mathrm{OH}$ vẫn thể hiện tính base. Brønsted và Lowry đã tổng quát hóa vấn đề bằng cách nhìn vào bản thân hạt proton: chất nào nhường proton là acid, chất nào nhận proton là base. Nhờ đó, mỗi phản ứng luôn sinh ra một cặp sản phẩm mới, và chính sản phẩm nhận proton từ acid ban đầu được gọi là acid liên hợp.

Thử nghiệm tương tác

Leo một bậc trên thang proton — nhìn công thức thêm đúng một H và điện tích tăng đúng một đơn vị

Hay hiểu sai

Cặp liên hợp không phải là hai chất có tính axit ghép lại với nhau.

Hai chất cùng nằm bên trái, hoặc cùng nằm bên phải, chưa chắc là một cặp.

Axit liên hợp được tạo ra khi bazơ NHẬN proton, không phải khi mất proton.

Đừng kéo theo ion kim loại vào công thức của bazơ liên hợp.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Khí

CO_2

tan trong máu tạo thành carbonic acid và thiết lập cân bằng sau trong nước:

H_2CO_3(aq) + H_2O(l) \rightleftharpoons HCO_3^-(aq) + H_3O^+(aq)

Hệ đệm này giữ cho pH của máu ổn định quanh giá trị 7,4.

aChỉ ra hai cặp acid–base liên hợp (conjugate acid–base pair) trong cân bằng trên và nói rõ chất nào là acid, chất nào là base.
bViết công thức của acid liên hợp và của base liên hợp của ion $HCO_3^-$ , từ đó giải thích vì sao ion này vừa có thể đóng vai trò acid liên hợp vừa có thể đóng vai trò base liên hợp.

1Bước 1: Trước hết cần xác định proton đi từ đâu sang đâu, vì theo thuyết Brønsted–Lowry acid là chất cho proton còn base là chất nhận proton. Ở chiều thuận,

H_2CO_3

mất một

H^+

để thành

HCO_3^-

, nên

H_2CO_3

là acid; đồng thời

H_2O

nhận đúng proton đó để thành

H_3O^+

, nên nước là base. Do đó mọi phản ứng acid–base kiểu này đều là một quá trình chuyển proton (proton-transfer reaction), không phải là quá trình tạo hay phá vỡ chất một cách ngẫu nhiên.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyAxit & bazơ · bài “Giới thiệu axit và bazơ” — khoá AP Chemistry

Cần trướcbazơ Brønsted–Lowry (sắp có)proton

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

base liên hợpconjugate base

Khác nhau ở đâuAcid liên hợp là chất tạo thành khi base nhận proton. Base liên hợp là chất còn lại khi acid nhường proton.

Hay nhầm khiTrong đề cho phản ứng thuận nghịch, thí sinh hay nhầm chiều nhận và nhường proton nên gán sai nhãn acid liên hợp với base liên hợp.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18, 26, 760.

2Ví dụ 2/2

Cho phản ứng trung hòa:

C_6H_5COOH(aq) + NaOH(aq) \rightarrow C_6H_5COONa(aq) + H_2O(l)

Biết benzoic acid có hằng số phân li acid (acid dissociation constant)

K_a = 6{,}3 \times 10^{-5}

và ở

25\ ^\circ C

thì

K_w = 1{,}0 \times 10^{-14}

aXác định một cặp acid–base liên hợp trong phản ứng trên.
bTính $K_b$ của base liên hợp của benzoic acid và cho biết đó là base mạnh hay yếu.

1Bước 1: Phương trình đang viết ở dạng phân tử nên phải tách các ion khán giả ra trước khi ghép cặp. Ion

Na^+

không cho cũng không nhận proton nên chỉ là ion khán giả (spectator ion); phần thực sự phản ứng là

C_6H_5COOH + OH^- \rightarrow C_6H_5COO^- + H_2O

. Nhờ đó ta thấy rõ benzoic acid cho một proton cho ion hydroxide.

2Bước 2: Ghép cặp theo quy tắc chênh nhau đúng một

H^+

: acid

C_6H_5COOH

đi với base liên hợp

C_6H_5COO^-

, còn base

OH^-

đi với acid liên hợp

H_2O

. Tuyệt đối không ghép

C_6H_5COOH

với

NaOH

hay

C_6H_5COONa

với

H_2O

, vì các cặp đó không liên hệ với nhau bằng một proton duy nhất.

3Bước 3: Với ý (b), ta dùng hệ thức giữa một acid và base liên hợp của nó trong nước:

K_a \times K_b = K_w

Hệ thức này nói rằng acid càng mạnh thì base liên hợp của nó càng yếu, vì tích của hai hằng số luôn cố định ở một nhiệt độ. Thay số:

K_b = \frac{1{,}0 \times 10^{-14}}{6{,}3 \times 10^{-5}} = 1{,}6 \times 10^{-10}

4Bước 4: So sánh giá trị vừa tính với

1

để kết luận về độ mạnh. Vì

K_b = 1{,}6 \times 10^{-10}

rất nhỏ, ion benzoate chỉ nhận proton của nước ở mức rất hạn chế nên là một base yếu. Tuy nhiên nó vẫn đủ để làm dung dịch

C_6H_5COONa

có pH lớn hơn 7, và đó là lý do điểm tương đương của phép chuẩn độ acid yếu bằng base mạnh luôn nằm ở vùng base.

Một cặp acid–base liên hợp đúng trong phản ứng là $C_6H_5COOH/C_6H_5COO^-$ (cặp còn lại là $H_2O/OH^-$ ). Base liên hợp $C_6H_5COO^-$ có $K_b = 1{,}6 \times 10^{-10}$ , tức là một base yếu, phù hợp với việc benzoic acid vốn cũng chỉ là một acid yếu.