Nepochybne ste počuli o stupnici pH, ktorá sa používa na meranie toho, ako kyslý je roztok (napr. Ocot alebo bielidlo). Pravdepodobne si myslíte, že sú kyseliny kyslé (napríklad kyselina citrónová je častou ingredienciou do kyslých cukríkov) a občas nebezpečné (väčšina ľudí naučte sa spájať slovo „kyselina“ s „potenciálnym poškodením pokožky“ pred dosiahnutím dospelosti, aj keď len z hollywoodskych filmov alebo zlých správ správy).
Čo je to však kyselina, chemicky povedané? Existujú jednotlivé vlastnosti rôznych kyselín, ktoré uľahčujú stanovenie pH roztoku, pokiaľ poznáte molárnu koncentráciu kyseliny rozpustenej v tomto roztoku? Táto „podpisová“ vlastnosť sa nazýva konštanta disociácie kyselinyKa. Niekedy neformálne napísané ako ka môžete vypočítať pH matematicky priamo.
Kyseliny v roztoku
Kyselina je molekula, ktorá môže darovať protón (a zriedka viac ako jeden protón v poradí) vo vodnom roztoku, t. J. Po rozpustení vo vode, aby sa stal ionizovaným. To znamená, že protón (H+) sa nechá „plávať“ medzi molekulami vody, kde je často reprezentovaná ako a
hydróniový ión (H3O+) kvôli schopnosti vody prijať tieto darované protóny. Molekula, ktorá po sebe zostala, je anión.Príklad: Kyselina uhličitá (H2CO3) daruje protón vo vodnom roztoku, aby sa z neho stal H+ (často vyjadrené ako H3O+) a hydrogenuhličitan (HCO3−).
Silné kyseliny, ako je kyselina chlorovodíková (HCl), viac „dychtivo“ darujú protóny ako oveľa početnejšie slabé kyseliny, čo znamená, že môžu vybíjať protóny aj v prostredí s nízkym pH, t. j. také, ktoré už je bohaté na protóny, a teda nie je samo „dychtivé“ prijať viac. Slabé kyseliny túžia darovať svoje protóny iba pri vysokom okolitom pH, to znamená, že koncentrácia protónov je relatívne nízka.
Čo je to stupnica pH?
Vyššie ste čítali, že nízke pH znamená prostredie s množstvom protónov zbavených pôvodných kyselín. Stupnica pH je logaritmická alebo „logická“ stupnica, ktorá sa z praktických dôvodov pohybuje od 1 do 14, od najmenej kyslej. Rovnica pre pH je:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
[H +] tu predstavuje molárnu koncentráciu (tj počet mólov alebo jednotlivé atómy / molekuly na liter roztoku) protónov. Každé desaťnásobné zvýšenie koncentrácie protónov vedie k pH dole o jednu celočíselnú jednotku a naopak.
Príklad: Aké je pH roztoku 0,025 M roztoku protónov?
pH = −log10[0,025 mol / L] = 1,602
Konštanta kyslej ionizácie Ka
Každá kyselina má svoju vlastnú ionizačnú konštantu danú:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Tu [A−], [H3O+] a [HA] predstavujú rovnovážné koncentrácie ionizovanej kyseliny, protónov a unionizovanej (t.j. „intaktnej“) kyseliny. Ka teda ponúka mieru „entuziazmu“ kyseliny vykladať protóny, a tým je sila; čím silnejšie je kyselina disociovaná v rovnováhe, tým vyšší je čitateľ vo vzťahu k menovateľovi v tejto rovnici a tým vyššia je Ka.
Výpočet pH z pKa: Henderson-Hasselbachova rovnica
Môžete vypočítať pH roztoku vzhľadom na pKa kyseliny a vyššie uvedené koncentrácie, okrem vylúčených darovaných protónov. Počítanie pKa od K.a znamená vykonanie rovnakej operácie ako pri pH: Vezmite záporný logaritmus K.a, a je tu vaša odpoveď.
Odvod je zahrnutý, ale Henderson-Hasselbachova rovnica vzťahuje tieto množstvá nasledujúcim spôsobom:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Príklad: Ka kyseliny octovej, hlavnej zložky octu, je 1,77 × 10−5. Aké je pH roztoku, v ktorom je disociovaná 1/10 kyseliny?
Ak chcete vyriešiť, najskôr určte pKa, čo je jednoducho −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Potom využite skutočnosť, že pomer [A−] až [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
To znamená, že pri pH nižšom ako pKa kyseliny octovej bude menej ako polovica disociovaná alebo ionizovaná; pri vyšších hodnotách pH bude viac ako polovica ionizovaných. Ak nastavíte [A -] = [HA], zistíte, že pKa kyseliny je jednoducho pH, pri ktorom je polovica kyseliny disociovaná a polovica je „neporušená“.