Sie haben sicherlich schon von der pH-Skala gehört, mit der gemessen wird, wie sauer eine Lösung (z. B. Essig oder Bleichmittel) ist. Sie halten Säuren wahrscheinlich für säuerlich (Zitronensäure ist beispielsweise ein häufiger Bestandteil von sauren Süßigkeiten) und manchmal gefährlich (die meisten Menschen lernen, das Wort "Säure" mit "möglicher Hautschädigung" zu assoziieren, bevor Sie erwachsen werden, selbst wenn es nur aus Hollywood-Filmen oder schlimmen Nachrichten ist Berichte).
Aber was ist chemisch gesehen eine Säure? Und gibt es individuelle Eigenschaften verschiedener Säuren, die die Bestimmung des pH-Wertes einer Lösung erleichtern, sofern man die molare Konzentration der darin gelösten Säure kennt? Dieses "Signatur"-Merkmal wird als bezeichnet SäuredissoziationskonstanteKein. Manchmal informell als ka geschrieben, können Sie den pH-Wert auf mathematisch einfache Weise berechnen.
Säuren in Lösung
Eine Säure ist ein Molekül, das in wässriger Lösung, d. h. in Wasser gelöst, ein Proton (und selten mehr als ein Proton nacheinander) abgeben kann, um ionisiert zu werden. Dies bedeutet, dass das Proton (H
Beispiel: Kohlensäure (H2CO3) spendet in wässriger Lösung ein Proton zu H+ (oft ausgedrückt als H3Ö+) und Bicarbonat (HCO3−).
Starke Säuren wie Salzsäure (HCl) spenden "eifriger" Protonen als die weitaus zahlreicheren schwachen Säuren, d.h sie können auch in einer Umgebung mit niedrigem pH-Wert Protonen abladen, d Mehr. Schwache Säuren geben ihre Protonen nur dann gerne ab, wenn der Umgebungs-pH-Wert hoch ist, also die Protonenkonzentration relativ niedrig ist.
Was ist die pH-Skala?
Oben lesen Sie, dass ein niedriger pH-Wert eine Umgebung mit vielen Protonen bedeutet, die von ihren Muttersäuren befreit sind. Tatsächlich ist die pH-Skala eine logarithmische oder "log"-Skala, die für praktische Zwecke von 1 bis 14 reicht, von der höchsten bis zur niedrigsten Säure. Die Gleichung für den pH-Wert lautet:
pH = -log_{10}[H^{+}]
[H+] ist hier die molare Konzentration (dh die Anzahl der Mole oder einzelner Atome/Moleküle pro Liter Lösung) von Protonen. Jeder zehnfache Anstieg der Protonenkonzentration treibt den pH Nieder um eine ganzzahlige Einheit und umgekehrt.
Beispiel: Welchen pH-Wert hat eine Lösung von 0,025 M Protonenlösung?
pH = −log10[0,025 mol/l] = 1,602
Die Säureionisationskonstante Ka
Jede Säure hat ihre eigene Ionisationskonstante, gegeben durch:
K_{a} = \dfrac{[A^{−}][H_{3}O^{+}]}{[HA]}
Hier ein−], [H3Ö+] und [HA] repräsentieren die Gleichgewichtskonzentrationen von ionisierter Säure, Protonen bzw. nichtionisierter (d. h. "intakter") Säure. Kein bietet somit ein Maß für die "Begeisterung" einer Säure, Protonen abzuladen, und ist somit Stärke; je stärker die Säure im Gleichgewicht dissoziiert, desto höher der Zähler im Verhältnis zum Nenner in dieser Gleichung und desto höher der Kein.
Berechnung des pH-Werts aus pKa: Die Henderson-Hasselbach-Gleichung
Sie können den pH-Wert einer Lösung anhand des pKa der Säure und der obigen Konzentrationen berechnen, die der gespendeten Protonen ausgeschlossen sind. Berechnung von pKein von Kein bedeutet, die gleiche Operation wie bei pH durchzuführen: Nimm den negativen Logarithmus von Kein, und da ist deine Antwort.
Die Ableitung ist beteiligt, aber die Henderson-Hasselbach-Gleichung setzt diese Größen wie folgt in Beziehung:
pH = pKa + log_{10}\dfrac{[A^{-}]}{[HA]}
Beispiel: Das Kein Essigsäure, der Hauptbestandteil von Essig, beträgt 1,77 × 10−5. Welchen pH-Wert hat eine Lösung, in der 1/10 der Säure dissoziiert ist?
Um zu lösen, bestimmen Sie zuerst pKa, was einfach −log. ist10(1.77 × 10−5) = 4.75. Dann nutzen Sie die Tatsache, dass das Verhältnis von [A−] bis [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Dies bedeutet, dass bei einem pH unter dem pKa von Essigsäure weniger als die Hälfte dissoziiert oder ionisiert wird; bei höheren pH-Werten wird mehr als die Hälfte ionisiert. In der Tat, wenn Sie [A −] = [HA] setzen, stellen Sie fest, dass der pKa einer Säure einfach der pH-Wert ist, bei dem die Hälfte der Säure dissoziiert und die andere Hälfte "intakt" ist.