U hebt ongetwijfeld gehoord van de pH-schaal, die wordt gebruikt om te meten hoe zuur een oplossing (bijvoorbeeld azijn of bleekmiddel) is. U denkt waarschijnlijk dat zuren zuur zijn (citroenzuur is bijvoorbeeld een veelgebruikt ingrediënt in zuur snoep) en soms gevaarlijk (de meeste mensen leer het woord "zuur" te associëren met "potentiële huidbeschadiging" voordat u volwassen bent, al was het maar uit Hollywood-films of slecht nieuws rapporten).
Maar wat is een zuur, chemisch gezien? En zijn er individuele eigenschappen van verschillende zuren die het bepalen van de pH van een oplossing makkelijker maken, als je maar de molaire concentratie van het in die oplossing opgeloste zuur weet? Die "kenmerkende" eigenschap wordt de is genoemd zuur dissociatie constanteKeen. Soms informeel geschreven als ka, kun je de pH op een wiskundig eenvoudige manier berekenen.
Zuren in oplossing
Een zuur is een molecuul dat een proton (en zelden meer dan één proton in volgorde) in waterige oplossing kan doneren, d.w.z. wanneer opgelost in water, om geïoniseerd te worden. Dit betekent dat het proton (H
+) wordt overgelaten om te "zweven" tussen de watermoleculen, waar het vaak wordt weergegeven als a hydronium ion (H3O+) vanwege het vermogen van water om deze gedoneerde protonen te accepteren. Het molecuul dat achterblijft is een anion.Voorbeeld: Koolzuur (H2CO3) doneert een proton in waterige oplossing om H. te worden+ (vaak uitgedrukt als H3O+) en bicarbonaat (HCO3−).
Sterke zuren zoals zoutzuur (HCl) doneren meer "gretig" protonen dan de veel talrijkere zwakke zuren, wat betekent dat ze kunnen protonen ontladen, zelfs in een omgeving met een lage pH, d.w.z. een omgeving die al rijk is aan protonen en dus zelf niet "gretig" is om op te nemen meer. Zwakke zuren staan alleen te popelen om hun protonen af te staan als de omgevings-pH hoog is, dat wil zeggen dat de protonconcentratie relatief laag is.
Wat is de pH-schaal?
Hierboven lees je dat een lage pH een omgeving impliceert met veel protonen die zijn bevrijd van hun moederzuren. De pH-schaal is namelijk een logaritmische of "log"-schaal die voor praktische doeleinden varieert van 1 tot 14, van meest tot minst zuur. De vergelijking voor pH is:
pH = -log_{10}[H^{+}]
Hier is [H+] de molaire concentratie (d.w.z. het aantal mol, of individuele atomen/moleculen, per liter oplossing) van protonen. Elke tienvoudige toename van de protonconcentratie stuurt de pH the naar beneden met één geheel getal en omgekeerd.
Voorbeeld: Wat is de pH van een oplossing van 0,025 M oplossing van protonen?
pH = "log"10[0,025 mol/L] = 1,602
De zure ionisatieconstante Ka
Elk zuur heeft zijn eigen ionisatieconstante, gegeven door:
K_{a} = \dfrac{[A^{−}][H_{3}O^{+}]}{[HA]}
Hier een−], [H3O+] en [HA] vertegenwoordigen de evenwichtsconcentraties van respectievelijk geïoniseerd zuur, protonen en niet-geïoniseerd (d.w.z. "intact") zuur. Keen biedt dus een maatstaf voor het "enthousiasme" van een zuur om protonen te ontladen en dus is kracht; hoe sterker het zuur bij evenwicht is gedissocieerd, hoe hoger de teller ten opzichte van de noemer in deze vergelijking en hoe hoger de Keen.
pH berekenen uit pKa: de Henderson-Hasselbach-vergelijking
Je kunt de pH van een oplossing berekenen met de pKa van het zuur en de concentraties daarboven, die van de gedoneerde protonen uitgezonderd. pK. berekeneneen van Keen betekent dezelfde bewerking uitvoeren als bij pH: Neem de negatieve logaritme van Keen, en daar is je antwoord.
De afleiding is betrokken, maar de Henderson-Hasselbach-vergelijking relateert deze hoeveelheden op de volgende manier:
pH = pKa + log_{10}\dfrac{[A^{-}]}{[HA]}
Voorbeeld: de Keen van azijnzuur, het hoofdbestanddeel van azijn, is 1,77 × 10−5. Wat is de pH van een oplossing waarin 1/10e van het zuur is gedissocieerd?
Om op te lossen, moet u eerst pKa bepalen, wat eenvoudig "log" is10(1.77 × 10−5) = 4.75. Gebruik dan het feit dat de verhouding van [A−] tot [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Dit betekent dat bij een pH lager dan de pKa van azijnzuur, minder dan de helft zal worden gedissocieerd of geïoniseerd; bij hogere pH-waarden wordt meer dan de helft geïoniseerd. Inderdaad, als je [A −] = [HA] instelt, zie je dat de pKa van een zuur simpelweg de pH is waarbij de helft van het zuur is gedissocieerd en de andere helft "intact".