So sánh tính axit của các phân tử sau: CH4, NH3, H2O, HF. a) Viết phản ứng khử proton (deprotonation) tương ứng và cho biết pKa ước lượng theo thứ tự. Giải thích sự khác biệt về độ axit bằng cách phân...

a) Để so sánh tính axit của các phân tử CH4, NH3, H2O, HF, trước tiên chúng ta cần viết phản ứng khử proton tương ứng cho từng phân tử: 1. CH4 → CH3⁻ + H⁺ 2. NH3 → NH2⁻ + H⁺ 3. H2O → HO⁻ + H⁺ 4. HF → F⁻ + H⁺ Dựa vào sự bền vững của các bazơ conjugate (anion) và các yếu tố khác, chúng ta có thể ước lượng pKa như sau (từ cao đến thấp): - CH4: pKa ≈ 50 - NH3: pKa ≈ 36 - H2O: pKa ≈ 15.7 - HF: pKa ≈ 3.17 Giải thích sự khác biệt về độ axit: - **Độ bền bazơ conjugate**: Anion F⁻ là bền nhất do có điện tích âm được phân bố lên một nguyên tử nhỏ, trong khi CH3⁻ và NH2⁻ có điện tích âm tập trung trên nguyên tử carbon và nitrogen lớn hơn, làm chúng kém bền hơn. H2O có anion HO⁻ nhưng không bền bằng F⁻. - **Độ phân cực liên kết**: Liên kết H-F có độ phân cực cao do sự chênh lệch độ điện âm giữa H và F, khiến cho H⁺ dễ dàng tách ra. Trong khi đó, các liên kết H-N và H-C ít phân cực hơn, làm giảm khả năng axit của NH3 và CH4. - **Hiệu ứng lan truyền điện tử**: Trong HF, hiệu ứng lan truyền điện tử do F mạnh hơn giúp tăng cường độ bền của anion F⁻, còn NH3 và H2O thì bị hạn chế do nguyên tử N và O không có khả năng lan truyền điện tử tốt như F. b) Về lý thuyết orbital, chúng ta có thể giải thích tại sao HF mạnh hơn H2O hay NH3 về mặt axit trong môi trường không nước như sau: - **Hybrid hóa**: Trong HF, nguyên tử F có orbital p thuần túy, cho phép nó tương tác tốt với proton (H⁺) và tạo ra F⁻ bền. Ngược lại, H2O có hybridization sp³, làm cho khả năng tách proton kém hơn do sự liên kết yếu hơn với H⁺. NH3 cũng có hybridization sp³ và do đó, liên kết với H⁺ cũng không mạnh mẽ bằng trong trường hợp của HF. - **Kích thước orbital**: Kích thước orbital của nguyên tử F nhỏ hơn so với nguyên tử O và N. Điều này dẫn đến lực hút tốt hơn giữa H⁺ và F⁻ so với H⁺ và OH⁻ hay NH2⁻. Hơn nữa, nguyên tử nhỏ hơn giúp F⁻ có độ bền cao hơn khi nhận proton. Do đó, HF thể hiện tính axit mạnh hơn H2O và NH3 trong môi trường không nước.