pH, pKa, Ka, pKb, και Kb στη Χημεία

Το pH, το pKa, το pKb, το Ka και το Kb χρησιμοποιούνται στη χημεία για να περιγράψουν πόσο όξινο ή βασικό είναι ένα διάλυμα και να μετρήσουν την ισχύ των οξέων και των βάσεων. Η κλίμακα pH είναι το πιο γνωστό μέτρο οξύτητας και βασικότητας, αλλά τα pKa, pKb, Ka και Kb είναι καλύτερα για την πρόβλεψη της ισχύος οξέος και βάσης και των αντιδράσεών τους. Ακολουθούν οι ορισμοί κάθε όρου, απλοί τύποι που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό τους και μια εξήγηση για το πώς διαφέρουν μεταξύ τους.

Τι σημαίνουν τα "p" και "K"

Πρώτον, είναι χρήσιμο να κατανοήσουμε τα σύμβολα. Όταν βλέπετε ένα "p" στη χημεία οξέος-βάσης, το γράμμα σημαίνει "ισχύς". Άρα, το pH είναι «δύναμη υδρογόνου» όπου το σύμβολο H είναι το σύμβολο του στοιχείου. Ένα "p" μπροστά από μια τιμή υποδηλώνει επίσης το -log της τιμής. Έτσι, το pH είναι το αρνητικό log της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου, ενώ το pKa είναι το αρνητικό log της τιμής Ka. Το κεφαλαίο γράμμα "K" σημαίνει σταθερά. Σε αυτή την περίπτωση, αναφέρεται στη σταθερά ισορροπίας. Τα κεφαλαία και πεζά γράμματα "A" ή "a" και "B ή "b" αντιπροσωπεύουν οξύ και βάση, αντίστοιχα.

pH και η σταθερά ισορροπίας

Τα pKa, pKb, Ka και Kb είναι όλες σταθερές ισορροπίας. Συγκεκριμένα, είναι σταθερές ισορροπίας που είναι σταθερές διάστασης. Συνήθως, εκφράζονται σε μονάδες moles ανά λίτρο (mol/L). Όπως το pH και το pOH σχετίζονται μεταξύ τους, αν γνωρίζετε μια σταθερά διάστασης, μπορείτε να λύσετε για τις άλλες.

Τα pKa, Ka, pKb και Kb χρησιμοποιούνται για να προβλέψουν εάν ένα χημικό είδος θα δώσει ή θα δεχθεί πρωτόνια (κατιόντα υδρογόνου) σε μια δεδομένη τιμή pH. Με άλλα λόγια, οι σταθερές ισορροπίας δείχνουν την ισχύ οξέος και βάσης και περιγράφουν το επίπεδο ιονισμού ενός οξέος ή μιας βάσης. Τα pKa και Ka περιγράφουν οξέα, ενώ τα pKb και Kb περιγράφουν βάσεις. Όπως το pH, οι τιμές pKa και Ka αντιπροσωπεύουν τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου. Όπως το pOH, οι τιμές pKb και Kb αντιπροσωπεύουν τη συγκέντρωση ιόντων υδροξειδίου. Όταν ασχολούμαστε με τη σταθερά ισορροπίας, να θυμάστε ότι η προσθήκη νερού σε ένα υδατικό διάλυμα οξέος ή βάσης δεν αλλάζει τη σταθερά ισορροπίας του. Τα Ka και Kb σχετίζονται με τη σταθερά ιόντων για το νερό (Kw):

Kw =Ka x Kb

Προσδιορισμός pH και τύπος

Το pH είναι ένα μέτρο της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου [H+], το οποίο με τη σειρά του είναι ένας μετρητής του πόσο όξινο ή βασικό είναι ένα χημικό διάλυμα. Συνήθως, η κλίμακα pH κυμαίνεται από 0 έως 14, αν και είναι στην πραγματικότητα δυνατό να ληφθούν αρνητικές τιμές και τιμές που υπερβαίνουν το 14. Μια τιμή pH γύρω στο 7 είναι ουδέτερη (ούτε όξινη ούτε βασική), μια τιμή pH μικρότερη από 7 είναι όξινη και ένα pH τιμή μεγαλύτερη από 7 είναι βασική. Η τιμή του pH δείχνει εάν μια χημική ουσία είναι οξύ ή βάση, αλλά δεν υποδεικνύει την ισχύ του οξέος ή της βάσης. Το pH σχετίζεται με το pOH, το οποίο είναι η ισχύς του ιόντος υδροξειδίου [OH-] και χρησιμοποιείται όταν συζητούνται βάσεις. Οι τύποι για τον υπολογισμό του pH και του pOH είναι:

pH =– log [H+]
pOH =– log [OH-]

Στους 25 βαθμούς Κελσίου:
pH + pOH =14

pKa και Ka

Ka είναι η σταθερά διάστασης οξέος. Το pKa είναι απλώς το -log αυτής της σταθεράς. Ένα οξύ διασπάται σύμφωνα με τη γενική εξίσωση:

HA + H₂ O ⇆ A + H₃ Ο

Οπου:

Ka =[H+][A-]/ [HA]
pKa =– log Ka
στο μισό του σημείου ισοδυναμίας, pH =pKa =-log Ka

Μια μεγάλη τιμή Ka υποδηλώνει ένα ισχυρό οξύ επειδή σημαίνει ότι ένα οξύ διασπάται σε μεγάλο βαθμό στα ιόντα του. Μια μεγάλη τιμή Ka σημαίνει επίσης ότι το βέλος αντίδρασης ευνοεί τον σχηματισμό παραγωγής. Αντίθετα, μια μικρή τιμή Ka σημαίνει μόνο μια μικρή ποσότητα οξέος που διασπάται, υποδηλώνοντας ένα ασθενές οξύ. Μια μικρή τιμή Ka σημαίνει ότι η αντίδραση ευνοεί τα αντιδρώντα παρά τα προϊόντα. Τα περισσότερα αδύναμα οξέα έχουν τιμές Ka μεταξύ 10 και 10.

Το pKa δίνει τις ίδιες πληροφορίες, αλλά με διαφορετικό τρόπο. Όσο μικρότερη είναι η τιμή pKa, τόσο ισχυρότερο είναι το οξύ. Ή, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή pKa, τόσο πιο αδύναμο είναι το οξύ. Τα αδύναμα οξέα έχουν συνήθως τιμές pKa μεταξύ 2 και 14.

pKb και Kb

Το Kb είναι η σταθερά διάστασης βάσης και το pKb είναι το -log αυτής της σταθεράς. Μια βάση διαχωρίζεται σύμφωνα με τη γενική εξίσωση:

HB + H₂ O ⇆ B + OH

Οπου:

Kb =[B+][OH-]/[BOH]
pKb =-log Kb

Οι σταθερές διάστασης βάσης ερμηνεύονται ακριβώς όπως οι σταθερές διάστασης οξέος. Μια μεγάλη τιμή Kb σημαίνει ότι μια βάση έχει διαχωριστεί σε μεγάλο βαθμό και υποδηλώνει μια ισχυρή βάση. Μια μικρή τιμή pKb υποδηλώνει μια ισχυρή βάση, ενώ μια μεγάλη τιμή pKb υποδεικνύει μια ασθενή βάση.

Το pKa και το pKb συσχετίζονται χρησιμοποιώντας μια απλή εξίσωση:

pKa + pKb =14

Τι είναι το pI;

Το pI είναι μια άλλη χρήσιμη τιμή. Το pI σημαίνει ισοηλεκτρικό σημείο. Είναι η τιμή του pH όπου το μόριο (συνήθως μια πρωτεΐνη) είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και έχει καθαρό ηλεκτρικό φορτίο μηδέν. Για ένα αμινοξύ που περιέχει μία ομάδα αμίνης και μία ομάδα καρβοξυλίου, το pI υπολογίζεται από τον μέσο όρο ή τον μέσο όρο των τιμών pKa για το μόριο:

pI =(pKa1 + pKa2) / 2

Αναφορές

• Atkins, Peter; de Paula, Julio (2006). Φυσική Χημεία . Οξφόρδη. ISBN 978-0198700722.
• Denbigh, Κ. (1981). "Κεφάλαιο 4." Οι Αρχές της Χημικής Ισορροπίας (4η έκδ.). Cambridge:Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-28150-8.
• Himmel, D.; Goll, S. K.; Leito, Ι.; Krossing, I. (2010). «Μια ενοποιημένη κλίμακα pH για όλες τις φάσεις». Angew. Chem. Int. Ed . 49 (38):6885–6888. doi:10.1002/anie.201000252
• Kozlowski, LP. (2016). "IPC - Υπολογιστής ισοηλεκτρικού σημείου." Biol Direct . 11 (1):55. doi:10.1186/s13062-016-0159-9
• Laidler K.J. (1987). Χημική κινητική (3η έκδ.) Harper &Row. ISBN:0-06-043862-2.