Bez wątpienia słyszałeś o skali pH, która służy do pomiaru kwasowości roztworu (np. octu lub wybielacza). Prawdopodobnie myślisz o kwasach jako cierpkich (na przykład kwas cytrynowy jest powszechnym składnikiem kwaśnych cukierków) i czasami niebezpiecznych (większość ludzi naucz się kojarzyć słowo „kwas” z „potencjalnym uszkodzeniem skóry” przed osiągnięciem dorosłości, nawet jeśli tylko z hollywoodzkich filmów lub tragicznych wiadomości raporty).
Ale czym jest kwas, mówiąc chemicznie? A czy istnieją indywidualne właściwości różnych kwasów, które ułatwiają określenie pH roztworu, o ile znamy stężenie molowe kwasu rozpuszczonego w tym roztworze? Ta cecha „podpisu” nazywa się kwasowa stała dysocjacjiKza. Czasami nieformalnie pisane jako ka, możesz obliczyć pH w matematycznie prosty sposób.
Kwasy w roztworze
Kwas jest cząsteczką, która może oddać proton (i rzadko więcej niż jeden proton w kolejności) w roztworze wodnym, tj. po rozpuszczeniu w wodzie, aby stać się zjonizowanym. Oznacza to, że proton (H
Przykład: Kwas węglowy (H2WSPÓŁ3) oddaje proton w roztworze wodnym, aby przekształcić się w H+ (często wyrażane jako H3O+) i wodorowęglan (HCO3−).
Silne kwasy, takie jak kwas solny (HCl), chętniej oddają protony niż znacznie liczniejsze słabe kwasy, co oznacza, że mogą odciążać protony nawet w środowisku o niskim pH, tj. takim, które jest już bogate w protony, a zatem samo w sobie nie jest „chętne” do przyjęcia jeszcze. Słabe kwasy chętnie oddają swoje protony tylko wtedy, gdy pH otoczenia jest wysokie, to znaczy stężenie protonów jest stosunkowo niskie.
Jaka jest skala pH?
Powyżej przeczytałeś, że niskie pH oznacza środowisko z dużą ilością protonów uwolnionych od ich macierzystych kwasów. Tak się składa, że skala pH jest skalą logarytmiczną lub "log", która dla celów praktycznych waha się od 1 do 14, od najbardziej do najmniej kwaśnego. Równanie na pH to:
pH = -log_{10}[H^{+}]
Tutaj [H+] jest stężeniem molowym (to znaczy liczbą moli lub pojedynczych atomów/cząsteczek na litr roztworu) protonów. Każdy dziesięciokrotny wzrost stężenia protonów wpływa na pH na dół o jedną jednostkę całkowitą i odwrotnie.
Przykład: Jakie jest pH roztworu 0,025 M roztworu protonów?
pH = −log10[0,025 mol/L] = 1,602
Stała jonizacji kwasowej Ka
Każdy kwas ma swoją stałą jonizacji, wyrażoną przez:
K_{a} = \dfrac{[A^{−}][H_{3}O^{+}]}{[HA]}
Tutaj−], [H3O+] i [HA] reprezentują stężenia równowagowe odpowiednio zjonizowanego kwasu, protonów i uzwiązkowionego (tj. „nienaruszonego”) kwasu. Kza w ten sposób oferuje miarę „entuzjazmu” kwasu do odciążania protonów, a tym samym siły; im silniej zdysocjowany kwas w równowadze, tym wyższy licznik w stosunku do mianownika w tym równaniu i wyższe Kza.
Obliczanie pH z pKa: równanie Hendersona-Hasselbacha
Można obliczyć pH roztworu, biorąc pod uwagę pKa kwasu i powyższe stężenia, z wyłączeniem protonów oddanych. Obliczanie pKza od Kza oznacza wykonanie tej samej operacji, co przy pH: Weź ujemny logarytm K ofzai oto twoja odpowiedź.
Pochodzenie jest zaangażowane, ale Równanie Hendersona-Hasselbacha odnosi się do tych ilości w następujący sposób:
pH = pKa + log_{10}\dfrac{[A^{-}]}{[HA]}
Przykład: Kza kwasu octowego, głównego składnika octu, wynosi 1,77 × 10−5. Jakie jest pH roztworu, w którym dysocjuje 1/10 kwasu?
Aby rozwiązać, najpierw wyznacz pKa, które jest po prostu −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Następnie wykorzystaj fakt, że stosunek [A−] do [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Oznacza to, że przy pH niższym niż pKa kwasu octowego mniej niż połowa zostanie zdysocjowana lub zjonizowana; przy wyższych wartościach pH ponad połowa zostanie zjonizowana. Rzeczywiście, jeśli ustawisz [A -] = [HA], odkryjesz, że pKa kwasu to po prostu pH, przy którym połowa kwasu jest zdysocjowana, a połowa jest „nienaruszona”.