Du har utan tvekan hört talas om pH-skalan, som används för att mäta hur sur en lösning (t.ex. vinäger eller blekmedel) är. Du tänker antagligen på syror som syrliga (till exempel citronsyra är en vanlig ingrediens i sura godisar) och ibland farliga (de flesta människor lär dig att associera ordet "syra" med "potentiell hudskada" innan du når vuxen ålder, även om det bara är från Hollywoodfilmer eller hemska nyheter rapporter).
Men vad är en syra kemiskt sett? Och finns det enskilda egenskaper hos olika syror som gör det lättare att bestämma pH i en lösning, så länge du vet molkoncentrationen av syran upplöst i den lösningen? Denna "signatur" egenskap kallas syradissociationskonstantKa. Ibland informellt skrivet som ka kan du beräkna pH på ett matematiskt enkelt sätt.
Syror i lösning
En syra är en molekyl som kan donera en proton (och sällan mer än en proton i sekvens) i vattenlösning, dvs när den är upplöst i vatten, för att bli joniserad. Detta innebär att protonen (H+) lämnas för att "flyta" bland vattenmolekylerna, där det ofta representeras som en
Exempel: Kolsyra (H2CO3) donerar en proton i vattenlösning för att bli H+ (ofta uttryckt som H3O+) och bikarbonat (HCO3−).
Starka syror som saltsyra (HCl) donerar mer "ivrigt" protoner än de mycket fler svaga syrorna, vilket betyder att de kan avlasta protoner även i en låg-pH-miljö, dvs. en som redan är rik på protoner och därmed inte själv "ivrig" att ta upp Mer. Svaga syror är bara angelägna om att donera sina protoner när det omgivande pH-värdet är högt, det vill säga protonkoncentrationen är relativt låg.
Vad är pH-skalan?
Ovan läser du att ett lågt pH innebär en miljö med massor av protoner befriade från sina modersyror. När det händer är pH-skalan en logaritmisk eller "log" -skala som för praktiska ändamål sträcker sig från 1 till 14, från mest till minst sur. Ekvationen för pH är:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Här är [H +] molkoncentrationen (det vill säga antalet mol, eller enskilda atomer / molekyler, per liter lösning) av protoner. Var tiofaldig ökning av protonkoncentrationen driver pH ner med ett heltal och omvänt.
Exempel: Vad är pH-värdet för en lösning av 0,025 M lösning av protoner?
pH = −log10[0,025 mol / L] = 1,602
Syrajoniseringen konstant Ka
Varje syra har sin egen joniseringskonstant, ges av:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Här en−], [H3O+] och [HA] representerar jämviktskoncentrationerna av joniserad syra, protoner respektive facklig (dvs. "intakt") syra. Ka erbjuder således ett mått på en syras "entusiasm" för att ladda ner protoner och är således styrka; ju starkare dissocierad syra vid jämvikt desto högre täljare i förhållande till nämnaren i denna ekvation och ju högre Ka.
Beräkning av pH från pKa: Henderson-Hasselbach-ekvationen
Du kan beräkna pH-värdet för en lösning med tanke på syran pKa och koncentrationerna ovan, för de donerade protonerna. Beräkning av pKa från Ka betyder att utföra samma operation som med pH: Ta den negativa logaritmen av Ka, och det finns ditt svar.
Derivationen är inblandad, men Henderson-Hasselbach-ekvation relaterar dessa kvantiteter på följande sätt:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Exempel: K: ta ättiksyra, huvudkomponenten i ättika, är 1,77 × 10−5. Vad är pH-värdet för en lösning där 1/10 av syran dissocieras?
För att lösa, bestäm först pKa, som helt enkelt är −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Använd sedan det faktum att förhållandet mellan [A−] till [HA} = 1/10 = 0,1
pH = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Detta betyder att vid pH lägre än ättiksyra's pKa kommer mindre än hälften att dissocieras eller joniseras; vid högre pH-värden joniseras mer än hälften. Faktiskt, om du ställer in [A -] = [HA], finner du att pKa för en syra helt enkelt är det pH vid vilket hälften av syran dissocieras och hälften är "intakt."