ไม่ต้องสงสัยเลยว่าคุณเคยได้ยินมาตราส่วน pH ซึ่งใช้ในการวัดว่าสารละลายเป็นกรด (เช่น น้ำส้มสายชูหรือสารฟอกขาว) เป็นอย่างไร คุณอาจคิดว่ากรดเป็นกรด (เช่น กรดซิตริกเป็นส่วนประกอบทั่วไปในลูกอมรสเปรี้ยว) และในบางครั้งอาจเป็นอันตราย (คนส่วนใหญ่ เรียนรู้ที่จะเชื่อมโยงคำว่า "กรด" กับ "อันตรายต่อผิวที่อาจเกิดขึ้น" ก่อนเข้าสู่วัยผู้ใหญ่ แม้จะมาจากหนังฮอลลีวูดหรือข่าวร้ายก็ตาม รายงาน)
แต่กรดในเชิงเคมีคืออะไร? และมีคุณสมบัติเฉพาะของกรดต่างๆ หรือไม่ที่ทำให้การหาค่า pH ของสารละลายง่ายขึ้น ตราบใดที่คุณรู้ความเข้มข้นของโมลาร์ของกรดที่ละลายในสารละลายนั้น ลักษณะ "ลายเซ็น" นั้นเรียกว่า ค่าคงที่การแยกตัวของกรดKก. บางครั้งเขียนอย่างไม่เป็นทางการว่า ka คุณสามารถคำนวณ pH ในลักษณะที่ตรงไปตรงมาทางคณิตศาสตร์ได้
กรดในสารละลาย
กรดคือโมเลกุลที่สามารถให้โปรตอน (และไม่ค่อยจะมีมากกว่าหนึ่งโปรตอนตามลำดับ) ในสารละลายที่เป็นน้ำ กล่าวคือ เมื่อละลายในน้ำ จะกลายเป็นไอออไนซ์ ซึ่งหมายความว่าโปรตอน (H+) ปล่อยให้ "ลอย" ท่ามกลางโมเลกุลของน้ำ ซึ่งมักจะแสดงเป็น a ไฮโดรเนียมไอออน (H3โอ+) เนื่องจากความสามารถของน้ำในการรับโปรตอนที่ได้รับบริจาคเหล่านี้ โมเลกุลที่ทิ้งไว้เบื้องหลังคือแอนไอออน
ตัวอย่าง: กรดคาร์บอนิก (H2CO3) บริจาคโปรตอนในสารละลายที่เป็นน้ำเพื่อให้กลายเป็น H+ (มักแสดงเป็น H3โอ+) และไบคาร์บอเนต (HCO3−).
กรดแก่เช่นกรดไฮโดรคลอริก (HCl) "กระตือรือร้น" บริจาคโปรตอนมากกว่ากรดอ่อนจำนวนมากซึ่งหมายความว่า พวกมันสามารถถ่ายเทโปรตอนได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีค่า pH ต่ำ นั่นคือโปรตอนหนึ่งที่อุดมไปด้วยโปรตอน ดังนั้นจึงไม่ "กระตือรือร้น" ที่จะกิน มากกว่า. กรดอ่อนต้องการบริจาคโปรตอนของพวกมันเมื่อ pH แวดล้อมสูงเท่านั้น นั่นคือความเข้มข้นของโปรตอนค่อนข้างต่ำ
เครื่องชั่ง pH คืออะไร?
ด้านบน คุณอ่านว่าค่า pH ต่ำหมายถึงสภาพแวดล้อมที่มีโปรตอนจำนวนมากที่ปราศจากกรดต้นกำเนิด เมื่อมันเกิดขึ้น สเกล pH จะเป็นสเกลลอการิทึมหรือ "ล็อก" ที่สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติมีตั้งแต่ 1 ถึง 14 จากมากไปหาน้อยเป็นกรดน้อยที่สุด สมการของค่า pH คือ:
pH = -log_{10}[H^{+}]
ในที่นี้ [H+] คือความเข้มข้นของโมลาร์ (นั่นคือ จำนวนโมล หรืออะตอม/โมเลกุลแต่ละอะตอม ต่อลิตรของสารละลาย) ของโปรตอน ความเข้มข้นของโปรตอนที่เพิ่มขึ้นทุกๆ สิบเท่าจะผลักดัน pH ลง โดยหนึ่งหน่วยจำนวนเต็มและในทางกลับกัน
ตัวอย่าง: ค่า pH ของสารละลาย 0.025 M ของสารละลายโปรตอนคืออะไร?
pH = −log10[0.025 โมล/ลิตร] = 1.602
ค่าคงที่ไอออไนซ์ของกรด Ka
กรดแต่ละชนิดมีค่าคงที่ไอออไนเซชันของตัวเอง กำหนดโดย:
K_{a} = \dfrac{[A^{−}][H_{3}O^{+}]}{[HA]}
ที่นี่ [A−], [ฮ3โอ+] และ [HA] แสดงถึงความเข้มข้นที่สมดุลของกรดที่แตกตัวเป็นไอออน โปรตอน และกรดที่รวมกันเป็นหนึ่ง (กล่าวคือ "ไม่เสียหาย") ตามลำดับ K จึงมีการวัด "ความกระตือรือร้น" ของกรดในการถ่ายโปรตอนและด้วยเหตุนี้จึงเป็นความแรง ยิ่งกรดแตกตัวในสภาวะสมดุลมากเท่าใด ตัวเศษก็จะยิ่งสัมพันธ์กับตัวส่วนในสมการนี้และค่า K ก็ยิ่งสูงขึ้น.
การคำนวณ pH จาก pKa: สมการ Henderson-Hasselbachbach
คุณสามารถคำนวณค่า pH ของสารละลายโดยพิจารณาจาก pKa ของกรดและความเข้มข้นข้างต้น ซึ่งไม่รวมโปรตอนที่ได้รับบริจาค คอมพิวเตอร์ pK จาก K หมายถึงการดำเนินการเช่นเดียวกับค่า pH: หาลอการิทึมลบของ Kและมีคำตอบของคุณ
ที่มาเกี่ยวข้อง แต่ สมการเฮนเดอร์สัน-ฮัสเซลบาค เกี่ยวข้องกับปริมาณเหล่านี้ในลักษณะดังต่อไปนี้:
pH = pKa + log_{10}\dfrac{[A^{-}]}{[HA]}
ตัวอย่าง: เดอะเค ของกรดอะซิติกซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของน้ำส้มสายชูคือ 1.77 × 10−5. pH ของสารละลายที่แยกกรดออกได้ 1 ใน 10 เป็นเท่าใด
ในการแก้ปัญหา ก่อนอื่นให้กำหนด pKa ซึ่งก็คือ −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. แล้วใช้ความจริงที่ว่าอัตราส่วนของ [A−] ถึง [HA} = 1/10 = 0.1
pH = 4.75 + บันทึก10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
ซึ่งหมายความว่าที่ pH ต่ำกว่า pKa ของกรดอะซิติก น้อยกว่าครึ่งหนึ่งจะแยกออกจากกันหรือแตกตัวเป็นไอออน ที่ค่า pH สูง มากกว่าครึ่งหนึ่งจะถูกแตกตัวเป็นไอออน ที่จริงแล้ว หากคุณตั้งค่า [A -] = [HA] คุณจะพบว่า pKa ของกรดเป็นเพียงค่า pH ที่กรดครึ่งหนึ่งแยกออกจากกันและครึ่งหนึ่ง "ไม่เสียหาย"