Вы, несомненно, слышали о шкале pH, которая используется для измерения кислотности раствора (например, уксуса или отбеливателя). Вы, вероятно, думаете о кислотах как о кислых (например, лимонная кислота - частый ингредиент кислых конфет), а иногда и о опасных (большинство людей научитесь ассоциировать слово «кислота» с «потенциальным повреждением кожи» еще до того, как достигнете совершеннолетия, даже если только из голливудских фильмов или ужасных новостей отчеты).
Но что такое кислота с химической точки зрения? И существуют ли индивидуальные свойства различных кислот, которые облегчают определение pH раствора, если вам известна молярная концентрация кислоты, растворенной в этом растворе? Эта «фирменная» черта называется константа диссоциации кислотыKа. Иногда неформально обозначаемый как ka, вы можете вычислить pH математически простым способом.
Кислоты в растворе
Кислота - это молекула, которая может отдавать протон (и редко более одного протона подряд) в водном растворе, то есть при растворении в воде, чтобы стать ионизированным. Это означает, что протон (H
+) остается «плавать» среди молекул воды, где его часто представляют как ион гидроксония (ЧАС3О+) из-за способности воды принимать эти пожертвованные протоны. Оставшаяся молекула - это анион.Пример: Угольная кислота (ЧАС2CO3) отдает протон в водном растворе, чтобы стать H+ (часто обозначается как H3О+) и бикарбонат (HCO3−).
Сильные кислоты, такие как соляная кислота (HCl), более «охотно» отдают протоны, чем гораздо более многочисленные слабые кислоты, а это означает, что они могут выгружать протоны даже в среде с низким pH, то есть в среде, которая уже богата протонами и, следовательно, сама не «стремится» принять более. Слабые кислоты стремятся отдать свои протоны только при высоком pH окружающей среды, то есть при относительно низкой концентрации протонов.
Что такое шкала pH?
Выше вы читали, что низкий pH подразумевает среду с большим количеством протонов, освобожденных от их родительских кислот. Как правило, шкала pH представляет собой логарифмическую или «логарифмическую» шкалу, которая для практических целей составляет от 1 до 14, от наиболее до наименее кислой. Уравнение для pH:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Здесь [H +] - молярная концентрация (то есть число молей или отдельных атомов / молекул на литр раствора) протонов. Каждое десятикратное увеличение концентрации протонов приводит к изменению pH. вниз на одну целую единицу и наоборот.
Пример: Какой pH у 0,025 М раствора протонов?
pH = −log10[0,025 моль / л] = 1,602
Константа ионизации кислоты Ka
У каждой кислоты своя собственная константа ионизации, определяемая как:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Здесь−], [H3О+] и [HA] представляют собой равновесные концентрации ионизированной кислоты, протонов и неионизированной (т.е. «интактной») кислоты соответственно. Kа таким образом, предлагает меру «энтузиазма» кислоты разгрузить протоны и, следовательно, ее силу; чем сильнее диссоциирует кислота в состоянии равновесия, тем выше числитель по отношению к знаменателю в этом уравнении и тем выше Kа.
Расчет pH по pKa: уравнение Хендерсона-Хассельбаха
Вы можете рассчитать pH раствора, учитывая pKa кислоты и указанные выше концентрации, исключая донорские протоны. Вычисление pKа от Kа означает выполнение той же операции, что и с pH: возьмите отрицательный логарифм Kа, и вот ваш ответ.
Вывод задействован, но Уравнение Хендерсона-Хассельбаха связывает эти количества следующим образом:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Пример: Kа уксусной кислоты, основного компонента уксуса, составляет 1,77 × 10−5. Каков pH раствора, в котором диссоциирована 1/10 часть кислоты?
Чтобы решить, сначала определите pKa, которое просто −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Тогда воспользуйтесь тем фактом, что отношение [A−] до [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Это означает, что при pH ниже, чем pKa уксусной кислоты, менее половины будет диссоциировано или ионизировано; при более высоких значениях pH более половины будет ионизировано. Действительно, если вы установите [A -] = [HA], вы обнаружите, что pKa кислоты - это просто pH, при котором половина кислоты диссоциирует, а половина остается «неповрежденной».
