Πώς να προσδιορίσετε το pH από το pKa

Δεν έχετε αμφιβολία ότι έχετε ακούσει για την κλίμακα pH, η οποία χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του όξινου διαλύματος (π.χ. ξίδι ή λευκαντικό). Πιθανότατα πιστεύετε ότι τα οξέα είναι ξινά (για παράδειγμα, το κιτρικό οξύ είναι ένα κοινό συστατικό στις ξινές καραμέλες) και μερικές φορές επικίνδυνο (οι περισσότεροι άνθρωποι μάθετε να συσχετίζετε τη λέξη "οξύ" με την "πιθανή βλάβη του δέρματος" πριν φτάσετε στην ενηλικίωση, ακόμα κι αν μόνο από ταινίες του Χόλιγουντ ή άσχημα νέα Αναφορές).

Αλλά τι είναι ένα οξύ, μιλώντας χημικά; Και υπάρχουν μεμονωμένες ιδιότητες διαφορετικών οξέων που καθιστούν τον προσδιορισμό του pH ενός διαλύματος ευκολότερο, αρκεί να γνωρίζετε τη μοριακή συγκέντρωση του οξέος που διαλύεται σε αυτό το διάλυμα; Αυτό το χαρακτηριστικό "υπογραφής" ονομάζεται σταθερά διάστασης οξέοςκ_ένα. Μερικές φορές, ανεπίσημα γραμμένο ως ka, μπορείτε να υπολογίσετε το pH με μαθηματικά απλό τρόπο.

Ένα οξύ είναι ένα μόριο που μπορεί να δωρίσει ένα πρωτόνιο (και σπάνια, περισσότερα από ένα πρωτόνια στη σειρά) σε υδατικό διάλυμα, δηλαδή, όταν διαλύεται σε νερό, για να ιονιστεί. Αυτό σημαίνει ότι το πρωτόνιο (Η

Ισχυρά οξέα όπως το υδροχλωρικό οξύ (HCl) δίνουν πιο «ανυπόμονα» πρωτόνια από τα πολύ περισσότερα αδύναμα οξέα, που σημαίνει ότι Μπορούν να εκφορτώσουν πρωτόνια ακόμη και σε περιβάλλον χαμηλού ρΗ, δηλαδή ένα ήδη πλούσιο σε πρωτόνια και συνεπώς δεν είναι «πρόθυμο» να αναλάβει περισσότερο. Τα αδύναμα οξέα είναι πρόθυμα να δωρίσουν τα πρωτόνια τους όταν το pH περιβάλλοντος είναι υψηλό, δηλαδή η συγκέντρωση του πρωτονίου είναι σχετικά χαμηλή.

Πάνω, διαβάζετε ότι ένα χαμηλό pH υποδηλώνει ένα περιβάλλον με πολλά πρωτόνια απαλλαγμένα από τα μητρικά οξέα τους. Όπως συμβαίνει, η κλίμακα pH είναι μια λογαριθμική ή «log» κλίμακα που για πρακτικούς σκοπούς κυμαίνεται από 1 έως 14, από τα περισσότερα έως τουλάχιστον όξινα. Η εξίσωση για το pH είναι:

Εδώ, [H +] είναι η γραμμομοριακή συγκέντρωση (δηλαδή, ο αριθμός γραμμομορίων, ή μεμονωμένα άτομα / μόρια, ανά λίτρο διαλύματος) πρωτονίων. Κάθε δεκαπλάσια αύξηση της συγκέντρωσης πρωτονίων αυξάνει το pH κάτω κατά μία ακέραια μονάδα και αντίστροφα.

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

pH = −log₁₀[0,025 mol / L] = 1,602

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

Εδω ενα⁻], [Η₃Ο⁺] και [ΗΑ] αντιπροσωπεύουν τις συγκεντρώσεις ισορροπίας ιονισμένου οξέος, πρωτονίων και ενοποιημένου (δηλ. "άθικτου") οξέος αντίστοιχα. κ_ένα Έτσι, προσφέρει ένα μέτρο του "ενθουσιασμού" ενός οξέος για την αποφόρτιση των πρωτονίων και έτσι είναι η δύναμη. όσο πιο έντονα διαχωρίζεται το οξύ στην ισορροπία, τόσο υψηλότερος είναι ο αριθμητής σε σχέση με τον παρονομαστή σε αυτήν την εξίσωση και τόσο υψηλότερο είναι το Κ_ένα.

Μπορείτε να υπολογίσετε το pH ενός διαλύματος δεδομένου του pKa του οξέος και των παραπάνω συγκεντρώσεων, εκείνο των πρωτονίων που δόθηκαν. Υπολογισμός pK_ένα από τον Κ_ένα σημαίνει την εκτέλεση της ίδιας λειτουργίας με το pH: Λάβετε τον αρνητικό λογάριθμο του Κ_ένα, και υπάρχει η απάντησή σας.

Το παράγωγο εμπλέκεται, αλλά το Εξίσωση Henderson-Hasselbach συνδέει αυτές τις ποσότητες με τον ακόλουθο τρόπο:

Παράδειγμα: Το Κ_ένα του οξικού οξέος, το κύριο συστατικό του ξιδιού, είναι 1,77 × 10⁻⁵. Ποιο είναι το pH ενός διαλύματος στο οποίο διαχωρίζεται το 1/10 του οξέος;

Για να λύσετε, καθορίστε πρώτα το pKa, το οποίο είναι απλά −log₁₀(1.77 × 10⁻⁵) = 4.75. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε το γεγονός ότι η αναλογία [Α⁻] έως [HA} = 1/10 = 0,1

pH = 4,75 + log₁₀ (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75

Αυτό σημαίνει ότι σε ρΗ χαμηλότερο από το pKa οξικού οξέος, λιγότερο από το μισό θα αποσυνδεθεί 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 από το οξύ διαχωρίζεται και το μισό είναι "άθικτο".