Brez dvoma ste že slišali za lestvico pH, ki se uporablja za merjenje kislosti raztopine (npr. Kisa ali belila). Verjetno mislite, da so kisline trpke (na primer citronska kislina je pogosta sestavina kislih bonbonov) in včasih nevarne (večina ljudi naučite se povezovati besedo "kislina" z "potencialno poškodbo kože", preden dosežete polnoletnost, četudi le iz hollywoodskih filmov ali groznih novic poročila).
Kaj pa je kislina, kemično gledano? In ali obstajajo posamezne lastnosti različnih kislin, ki olajšajo določanje pH raztopine, če poznate molsko koncentracijo kisline, raztopljene v tej raztopini? Ta lastnost "podpisa" se imenuje konstanta disociacijske kislineKa. Včasih neformalno zapisano kot ka lahko pH izračunamo matematično naravnost.
Kisline v raztopini
Kislina je molekula, ki lahko v vodni raztopini, tj. Ko se raztopi v vodi, da proton (in redko več zaporednih protonov), da postane ioniziran. To pomeni, da je proton (H+) ostane "plavati" med vodnimi molekulami, kjer je pogosto predstavljena kot
hidronijev ion (H3O+) zaradi sposobnosti vode, da sprejme te darovane protone. Molekula, ki ostane za seboj, je anion.Primer: Ogljikova kislina (H2CO3) donira proton v vodni raztopini, da postane H+ (pogosto izraženo kot H3O+) in bikarbonat (HCO3−).
Močne kisline, kot je klorovodikova kislina (HCl), bolj "nestrpno" dajejo protone kot veliko bolj številne šibke kisline, kar pomeni, da lahko raztovorijo protone tudi v okolju z nizkim pH, to je tisti, ki je že bogat s protoni in zato sam ni "pripravljen" prevzeti več. Šibke kisline želijo darovati svoje protone le, kadar je pH okolice visok, to pomeni, da je koncentracija protona razmeroma nizka.
Kaj je lestvica pH?
Zgoraj ste prebrali, da nizek pH pomeni okolje z veliko protoni, osvobojenimi njihovih matičnih kislin. V navadi je lestvica pH logaritemska ali "log" lestvica, ki se v praktične namene giblje od 1 do 14, od najbolj do najmanj kisle. Enačba za pH je:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Tu je [H +] molska koncentracija (to je število molov ali posameznih atomov / molekul na liter raztopine) protonov. Vsako desetkratno povečanje koncentracije protonov vodi pH dol za eno celo število in obratno.
Primer: Kolikšen je pH raztopine 0,025 M raztopine protonov?
pH = -log10[0,025 mol / L] = 1,602
Konstanta kislinske ionizacije Ka
Vsaka kislina ima svojo ionizacijsko konstanto, ki jo podaja:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Tukaj [A−], [H3O+] in [HA] predstavljata ravnotežni koncentraciji ionizirane kisline, protonov in neionizirane (tj. "nedotaknjene") kisline. Ka tako ponuja mero "navdušenja" kisline za razkladanje protonov in s tem moč; močneje je disociirana kislina v ravnovesju, večji je števec glede na imenovalec v tej enačbi in večja je Ka.
Izračun pH iz pKa: Henderson-Hasselbachova enačba
Izračunate lahko pH raztopine glede na pKa kisline in zgornje koncentracije, razen darovanih protonov. Računalništvo pKa od Ka pomeni izvajanje enake operacije kot pri pH: Vzemite negativni logaritem Ka, in tu je vaš odgovor.
Izpeljava je vključena, vendar Henderson-Hasselbach enačba te količine poveže na naslednji način:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Primer: Ka ocetne kisline, glavne sestavine kisa, je 1,77 × 10−5. Kakšen je pH raztopine, v kateri je disociirana 1/10 kisline?
Za rešitev najprej določite pKa, ki je preprosto −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Nato uporabite dejstvo, da je razmerje [A−] do [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
To pomeni, da bo pri pH, nižjem od pKa ocetne kisline, manj kot polovica disociirana ali ionizirana; pri višjih vrednostih pH bo več kot polovica ioniziranih. Če nastavite [A -] = [HA], ugotovite, da je pKa kisline preprosto pH, pri katerem je polovica kisline disociirana, polovica pa "nedotaknjena".