Du har uden tvivl hørt om pH-skalaen, som bruges til at måle, hvor sur en opløsning (f.eks. Eddike eller blegemiddel) er. Du tænker sandsynligvis på syrer som tærter (for eksempel er citronsyre en almindelig ingrediens i sure slik) og til tider farlige (de fleste mennesker lære at forbinde ordet "syre" med "potentiel hudskade" inden du når voksenalderen, selvom det kun er fra Hollywood-film eller dystre nyheder rapporter).
Men hvad er en syre kemisk set? Og er der individuelle egenskaber ved forskellige syrer, der gør det lettere at bestemme pH-værdien i en opløsning, så længe du kender den molære koncentration af syren opløst i den opløsning? Denne "signatur" egenskab kaldes syredissociationskonstantKen. Nogle gange uformelt skrevet som ka, kan du beregne pH på en matematisk ligetil måde.
Syrer i opløsning
En syre er et molekyle, der kan donere en proton (og sjældent mere end en proton i rækkefølge) i vandig opløsning, dvs. når den opløses i vand for at blive ioniseret. Dette betyder, at protonen (H
+) overlades til at "flyde" blandt vandmolekylerne, hvor det ofte er repræsenteret som en hydroniumion (H3O+) på grund af vandets evne til at acceptere disse donerede protoner. Det efterladte molekyle er en anion.Eksempel: Kulsyre (H2CO3) donerer en proton i vandig opløsning for at blive H+ (ofte udtrykt som H3O+) og bicarbonat (HCO3−).
Stærke syrer som saltsyre (HCI) donerer mere "ivrigt" protoner end de langt flere talrige svage syrer, hvilket betyder at de kan aflade protoner selv i et lavt pH-miljø, dvs. en, der allerede er rig på protoner, og dermed ikke selv "ivrig efter" at tage op mere. Svage syrer er kun ivrige efter at donere deres protoner, når den omgivende pH er høj, dvs. protonkoncentrationen er relativt lav.
Hvad er pH-skalaen?
Ovenfor læser du, at en lav pH-værdi indebærer et miljø med masser af protoner befriet for deres modersyrer. Når det sker, er pH-skalaen en logaritmisk eller "log" -skala, der til praktiske formål varierer fra 1 til 14, fra mest til mindst sur. Ligningen for pH er:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Her er [H +] den molære koncentration (det vil sige antallet af mol eller individuelle atomer / molekyler pr. Liter opløsning) af protoner. Hver ti gange stigning i protonkoncentration driver pH ned ved en heltalsenhed og omvendt.
Eksempel: Hvad er pH-værdien i en opløsning af 0,025 M opløsning af protoner?
pH = −log10[0,025 mol / L] = 1,602
Syreioniseringen konstant Ka
Hver syre har sin egen ioniseringskonstant givet af:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Her, [A−], [H3O+] og [HA] repræsenterer ligevægtskoncentrationerne af henholdsvis ioniseret syre, protoner og forenet (dvs. "intakt") syre. K-en tilbyder således et mål for en syres "entusiasme" for at aflade protoner og er således styrke; jo stærkere dissocieret syren ved ligevægt, jo højere tæller i forhold til nævneren i denne ligning og jo højere K-en.
Beregning af pH fra pKa: Henderson-Hasselbach ligningen
Du kan beregne pH-værdien i en opløsning givet pKa af syren og koncentrationerne ovenfor, ekskluderet for de donerede protoner. Beregning af pK-en fra K-en betyder at udføre den samme operation som med pH: Tag den negative logaritme af K-en, og der er dit svar.
Afledningen er involveret, men Henderson-Hasselbach ligning relaterer disse mængder på følgende måde:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Eksempel: K-en eddikesyre, hovedbestanddelen af eddike, er 1,77 × 10−5. Hvad er pH-værdien i en opløsning, hvor 1/10 af syren dissocieres?
For at løse skal du først bestemme pKa, som simpelthen er −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Brug derefter det faktum, at forholdet mellem [A−] til [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Dette betyder, at ved pH lavere end eddikesyre's pKa, vil mindre end halvdelen dissocieres eller ioniseres; ved højere pH-værdier vil mere end halvdelen blive ioniseret. Faktisk, hvis du indstiller [A -] = [HA], finder du, at pKa for en syre simpelthen er den pH, hvorved halvdelen af syren dissocieres, og halvdelen er "intakt".