Несъмнено сте чували за скалата на pH, която се използва за измерване на киселинността на разтвора (например оцет или белина). Вероятно смятате киселините за тръпчиви (например лимонената киселина е често срещана съставка в киселите бонбони) и понякога опасни (повечето хора научете се да свързвате думата "киселина" с "потенциално увреждане на кожата", преди да достигнете зряла възраст, дори и само от холивудски филми или ужасни новини доклади).
Но какво е киселина, химически казано? И има ли индивидуални свойства на различните киселини, които улесняват определянето на рН на разтвора, стига да знаете моларната концентрация на киселината, разтворена в този разтвор? Тази черта на "подпис" се нарича константа на дисоциация на киселинаКа. Понякога неофициално написано като ka, можете да изчислите pH по математически ясен начин.
Киселини в разтвор
Киселината е молекула, която може да отдаде протон (и рядко, повече от един протон последователно) във воден разтвор, т.е. когато се разтвори във вода, за да се йонизира. Това означава, че протонът (H
+) се оставя да "плава" сред водните молекули, където често се представя като a хидрониев йон (H3О+) поради способността на водата да приема тези дарени протони. Молекулата, останала след себе си, е анион.Пример: Карбонова киселина (H2CO3) дарява протон във воден разтвор, за да стане Н+ (често се изразява като H3О+) и бикарбонат (HCO3−).
Силните киселини като солната киселина (HCl) по-„жадно“ даряват протони, отколкото много по-многобройните слаби киселини, което означава, че те могат да разтоварят протони дори в среда с ниско рН, т.е. такава, която вече е богата на протони и по този начин не е сама „нетърпелива“ да поеме Повече ▼. Слабите киселини са нетърпеливи да дарят своите протони само когато рН на околната среда е високо, т.е.концентрацията на протона е относително ниска.
Какво представлява скалата на рН?
По-горе прочетохте, че ниското рН предполага среда с много протони, освободени от техните родителски киселини. Както се случва, скалата на pH е логаритмична или "log" скала, която за практически цели варира от 1 до 14, от повечето до най-малко киселинните. Уравнението за рН е:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Тук [H +] е моларната концентрация (т.е. броят на моловете или отделните атоми / молекули на литър разтвор) на протони. Всяко десетократно повишаване на концентрацията на протон води до рН надолу от една цяло число и обратно.
Пример: Какво е рН на разтвор от 0,025 М разтвор на протони?
pH = −log10[0,025 mol / L] = 1,602
Постоянната киселинна йонизация Ка
Всяка киселина има своя собствена йонизационна константа, дадена от:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Ето, [A−], [H3О+] и [HA] представляват равновесните концентрации на йонизирана киселина, протони и съответно неионизирана (т.е. „непокътната“) киселина. Ка по този начин предлага мярка за "ентусиазъм" на киселина за разтоварване на протони и по този начин е сила; колкото по-силно дисоциира киселината в равновесие, толкова по-висок е числителят спрямо знаменателя в това уравнение и толкова по-висок е Ка.
Изчисляване на pH от pKa: Уравнението на Хендерсън-Хаселбах
Можете да изчислите рН на разтвор, като се вземат предвид рКа на киселината и концентрациите по-горе, като тези на дарените протони са изключени. Изчисляване pKа от Ка означава извършване на същата операция като при pH: Вземете отрицателния логаритъм на Kа, и там е вашият отговор.
Деривацията е включена, но Уравнение на Хендерсън-Хаселбах свързва тези количества по следния начин:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Пример: Kа оцетна киселина, основният компонент на оцета, е 1,77 × 10−5. Какво е рН на разтвор, в който 1/10 от киселината е дисоциирана?
За да разрешите, първо определете pKa, което е просто -log10(1.77 × 10−5) = 4.75. След това използвайте факта, че съотношението на [A−] до [HA} = 1/10 = 0,1
рН = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Това означава, че при рН, по-ниско от рКа на оцетната киселина, по-малко от половината ще бъдат дисоциирани или йонизирани; при по-високи стойности на pH, повече от половината ще бъдат йонизирани. Всъщност, ако зададете [A -] = [HA], ще откриете, че рКа на киселина е просто рН, при което половината от киселината е дисоциирана, а половината е „непокътната“.