لا شك أنك سمعت عن مقياس الأس الهيدروجيني ، والذي يستخدم لقياس مدى حمضية المحلول (على سبيل المثال ، الخل أو التبييض). ربما تعتقد أن الأحماض لاذعة (على سبيل المثال ، يعد حمض الستريك مكونًا شائعًا في الحلوى الحامضة) وفي بعض الأحيان خطرة (معظم الناس تعلم كيفية ربط كلمة "حمض" بـ "تلف الجلد المحتمل" قبل بلوغ سن الرشد ، حتى لو كان ذلك من أفلام هوليوود أو الأخبار السيئة فقط التقارير).
لكن ما هو الحمض من الناحية الكيميائية؟ وهل هناك خصائص فردية للأحماض المختلفة تجعل تحديد الرقم الهيدروجيني للمحلول أسهل ، طالما أنك تعرف التركيز المولي للحمض المذاب في هذا المحلول؟ تسمى سمة "التوقيع" هذه ثابت التفكك الحمضيكأ. في بعض الأحيان مكتوبًا بشكل غير رسمي كـ ka ، يمكنك حساب الرقم الهيدروجيني بطريقة رياضية مباشرة.
الأحماض في المحلول
الحمض عبارة عن جزيء يمكنه التبرع بالبروتون (ونادرًا ، أكثر من بروتون واحد على التوالي) في محلول مائي ، أي عندما يذوب في الماء ، يتأين. هذا يعني أن البروتون (H+) "لتطفو" بين جزيئات الماء ، حيث غالبًا ما يتم تمثيلها على أنها a أيون الهيدرونيوم (ح3ا+) بسبب قدرة الماء على قبول هذه البروتونات المتبرع بها. الجزيء المتبقي هو أنيون.
مثال: حمض الكربونيك (ح2كو3) يتبرع ببروتون في محلول مائي ليصبح H.+ (غالبًا ما يتم التعبير عنها كـ H3ا+) وبيكربونات (HCO3−).
الأحماض القوية مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl) تتبرع "بشغف" بالبروتونات أكثر من الأحماض الضعيفة العديدة ، مما يعني أن يمكنهم تفريغ البروتونات حتى في بيئة منخفضة الأس الهيدروجيني ، أي واحدة غنية بالفعل بالبروتونات وبالتالي فهي نفسها ليست "حريصة" على تناول أكثر. الأحماض الضعيفة حريصة فقط على التبرع بالبروتونات عندما يكون الأس الهيدروجيني المحيط مرتفعًا ، أي أن تركيز البروتون منخفض نسبيًا.
ما هو مقياس الأس الهيدروجيني؟
أعلاه ، قرأت أن الأس الهيدروجيني المنخفض يشير إلى بيئة بها الكثير من البروتونات الخالية من الأحماض الأم. كما يحدث ، مقياس الأس الهيدروجيني هو مقياس لوغاريتمي أو "لوغاريتمي" يتراوح لأغراض عملية من 1 إلى 14 ، من الأكثر إلى الأقل حمضية. معادلة الأس الهيدروجيني هي:
الرقم الهيدروجيني = -log_ {10} [H ^ {+}]
هنا ، [H +] هو التركيز المولي (أي عدد المولات ، أو الذرات / الجزيئات الفردية ، لكل لتر من المحلول) من البروتونات. كل زيادة بمقدار عشرة أضعاف في تركيز البروتون تدفع الرقم الهيدروجيني تحت من خلال وحدة عدد صحيح واحد والعكس بالعكس.
مثال: ما هو الرقم الهيدروجيني لمحلول 0.025 مولار من البروتونات؟
الرقم الهيدروجيني = −log10[0.025 مول / لتر] = 1.602
ثابت التأين الحمضي كا
لكل حمض ثابت التأين الخاص به ، معطى بواسطة:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
هنا [أ−] ، [H.3ا+] و [HA] يمثلان تركيزات التوازن للحمض المتأين والبروتونات والحمض المتحد (أي "سليم") على التوالي. كأ وهكذا يقدم مقياسًا لـ "حماس" الحمض لتفريغ البروتونات وبالتالي فهو القوة ؛ كلما زاد تفكك الحمض بقوة عند التوازن ، زاد البسط بالنسبة للمقام في هذه المعادلة وكلما ارتفعت قيمة Kأ.
حساب الرقم الهيدروجيني من pKa: معادلة Henderson-Hasselbach
يمكنك حساب الرقم الهيدروجيني لمحلول بالنظر إلى pKa للحمض والتركيزات أعلاه ، باستثناء البروتونات المتبرع بها. الحوسبة pKأ من كأ يعني إجراء نفس العملية كما هو الحال مع الأس الهيدروجيني: خذ اللوغاريتم السالب لـ Kأ، وها هي إجابتك.
الاشتقاق متورط ، لكن معادلة هندرسون-هاسلباخ يربط هذه الكميات بالطريقة التالية:
الرقم الهيدروجيني = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
مثال: يعتبر حرف Kأ من حمض الخليك ، المكون الرئيسي للخل ، هو 1.77 × 10−5. ما هو الرقم الهيدروجيني لمحلول يتم فيه فصل 1/10 من الحمض؟
لحل المشكلة ، حدد أولاً pKa ، وهو ببساطة −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. ثم استخدم حقيقة أن نسبة [أ−] إلى [HA} = 1/10 = 0.1
الرقم الهيدروجيني = 4.75 + سجل10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
وهذا يعني أنه عند درجة حموضة أقل من pKa لحمض الأسيتيك ، فإن أقل من النصف سينفصل أو يتأين ؛ عند قيم الأس الهيدروجيني الأعلى ، سيتأين أكثر من النصف. في الواقع ، إذا قمت بتعيين [A -] = [HA] ، ستجد أن pKa للحمض هو ببساطة الرقم الهيدروجيني الذي يتم فيه فصل نصف الحمض والنصف الآخر "سليم".