Πώς να προσδιορίσετε το pH από το pKa

Αναμφίβολα έχετε ακούσει για την κλίμακα pH, η οποία χρησιμοποιείται για να μετρήσει πόσο όξινο είναι ένα διάλυμα (π.χ. ξύδι ή χλωρίνη). Πιθανότατα πιστεύετε ότι τα οξέα είναι τάρτα (για παράδειγμα, το κιτρικό οξύ είναι ένα κοινό συστατικό στις ξινές καραμέλες) και κατά καιρούς επικίνδυνα (οι περισσότεροι άνθρωποι μαθαίνουν να συνδέουν τη λέξη "οξύ" με "δυνητική βλάβη του δέρματος" πριν φτάσουν στην ενηλικίωση, έστω και μόνο από ταινίες του Χόλιγουντ ή τρομακτικές ειδήσεις).

Τι είναι όμως ένα οξύ, από χημική άποψη; Και υπάρχουν μεμονωμένες ιδιότητες διαφορετικών οξέων που διευκολύνουν τον προσδιορισμό του pH ενός διαλύματος, αρκεί να γνωρίζετε τη μοριακή συγκέντρωση του οξέος που είναι διαλυμένο σε αυτό το διάλυμα; Αυτό το χαρακτηριστικό "υπογραφή" ονομάζεται σταθερά διάστασης οξέος K_a. Μερικές φορές ανεπίσημα γράφεται ως ka, μπορείτε να υπολογίσετε το pH με έναν μαθηματικά απλό τρόπο.

Acids in Solution

Ένα οξύ είναι ένα μόριο που μπορεί να δώσει ένα πρωτόνιο (και σπάνια, περισσότερα από ένα πρωτόνια στη σειρά) σε υδατικό διάλυμα, δηλαδή όταν διαλυθεί στο νερό, για να ιονιστεί. Αυτό σημαίνει ότι το πρωτόνιο (Η) αφήνεται να «επιπλέει» ανάμεσα στα μόρια του νερού, όπου συχνά αναπαρίσταται ως ιόν υδρονίου (H₃ Ο) λόγω της ικανότητας του νερού να δέχεται αυτά τα πρωτόνια. Το μόριο που μένει πίσω είναι ένα ανιόν.

Παράδειγμα:ανθρακικό οξύ (H₂ CO₃ ) δίνει ένα πρωτόνιο σε υδατικό διάλυμα για να γίνει Η (συχνά εκφράζεται ως H₃ Ο) και διττανθρακικό (HCO₃ ).

Ισχυρά οξέα όπως το υδροχλωρικό οξύ (HCl) δίνουν πιο «προθυμία» πρωτόνια από τα πολύ πιο πολυάριθμα αδύναμα οξέα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να εκφορτώσουν πρωτόνια ακόμη και σε περιβάλλον χαμηλού pH, δηλαδή σε περιβάλλον που είναι ήδη πλούσιο σε πρωτόνια και επομένως δεν είναι «πρόθυμο». «να αναλάβω περισσότερα. Τα αδύναμα οξέα είναι πρόθυμα να δωρίσουν τα πρωτόνια τους μόνο όταν το pH του περιβάλλοντος είναι υψηλό, δηλαδή η συγκέντρωση πρωτονίων είναι σχετικά χαμηλή.

Τι είναι η κλίμακα pH;

Παραπάνω, διαβάζετε ότι ένα χαμηλό pH συνεπάγεται ένα περιβάλλον με πολλά πρωτόνια απελευθερωμένα από τα μητρικά τους οξέα. Όπως συμβαίνει, η κλίμακα pH είναι μια λογαριθμική ή "λογαριθμική" κλίμακα που για πρακτικούς σκοπούς κυμαίνεται από 1 έως 14, από το περισσότερο έως το λιγότερο όξινο. Η εξίσωση για το pH είναι:

pH =-log_{10}[H^{+}]

Εδώ, [H+] είναι η μοριακή συγκέντρωση (δηλαδή, ο αριθμός των γραμμομορίων ή μεμονωμένων ατόμων/μορίων, ανά λίτρο διαλύματος) των πρωτονίων. Κάθε δεκαπλάσια αύξηση στη συγκέντρωση πρωτονίων οδηγεί το pH κάτω κατά μία ακέραια μονάδα και αντίστροφα.

Παράδειγμα: Ποιο είναι το pH ενός διαλύματος 0,025 M διαλύματος πρωτονίων;

pH =−log₁₀ [0,025 mol/L] =1,602

Η Acid Ionization Constant Ka

Κάθε οξύ έχει τη δική του σταθερά ιοντισμού, που δίνεται από:

K_{a} =\dfrac{[A^{−}][H_{3}O^{+}]}{[HA]}

Εδώ, [A], [H₃ Τα Ο] και [ΗΑ] αντιπροσωπεύουν τις συγκεντρώσεις ισορροπίας του ιονισμένου οξέος, των πρωτονίων και του μη ιονισμένου (δηλ., «άθικτου») οξέος αντίστοιχα. K_a προσφέρει έτσι ένα μέτρο του «ενθουσιασμού» ενός οξέος για την αποφόρτωση πρωτονίων και επομένως είναι δύναμη. όσο πιο ισχυρή διάσταση είναι το οξύ στην ισορροπία, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμητής σε σχέση με τον παρονομαστή σε αυτήν την εξίσωση και τόσο υψηλότερο είναι το K_a .

Υπολογισμός pH από pKa:The Henderson-Hasselbach Equation

Μπορείτε να υπολογίσετε το pH ενός διαλύματος με δεδομένο το pKa του οξέος και τις παραπάνω συγκεντρώσεις, εξαιρουμένου του pH των δωρεών πρωτονίων. Υπολογισμός pK_a από K_a σημαίνει την εκτέλεση της ίδιας πράξης με το pH:Πάρτε τον αρνητικό λογάριθμο του K_a , και υπάρχει η απάντησή σας.

Η παραγωγή εμπλέκεται, αλλά η εξίσωση Henderson-Hasselbach συσχετίζει αυτές τις ποσότητες με τον ακόλουθο τρόπο:

pH =pKa + log_{10}\dfrac{[A^{-}]}{[HA]}

Παράδειγμα: Το K_a του οξικού οξέος, του κύριου συστατικού του ξιδιού, είναι 1,77 × 10. Ποιο είναι το pH ενός διαλύματος στο οποίο διαχωρίζεται το 1/10 του οξέος;

Για να λύσετε, προσδιορίστε πρώτα το pKa, το οποίο είναι απλώς −log₁₀ (1,77 × 10) =4,75. Στη συνέχεια χρησιμοποιήστε το γεγονός ότι η αναλογία [A] προς [HA} =1/10 =0,1

pH =4,75 + log₁₀ (0,1) =4,75 + (−1) =3,75

Αυτό σημαίνει ότι σε pH χαμηλότερο από το pKa του οξικού οξέος, λιγότερο από το μισό θα διαχωριστεί ή θα ιονιστεί. σε υψηλότερες τιμές pH, περισσότερα από τα μισά θα ιονιστούν. Πράγματι, αν ορίσετε [A −] =[HA], θα διαπιστώσετε ότι το pKa ενός οξέος είναι απλώς το pH στο οποίο το μισό του οξέος διασπάται και το μισό είναι "άθικτο".