Ви, безсумнівно, чули про шкалу рН, яка використовується для вимірювання кислотності розчину (наприклад, оцту або відбілювача). Напевно, ви думаєте про кислоти як про терпку (наприклад, лимонна кислота є загальним інгредієнтом кислих цукерок) і часом небезпечною (більшість людей навчіться асоціювати слово "кислота" з "потенційним пошкодженням шкіри" до досягнення повноліття, навіть якщо лише з голлівудських фільмів або жахливих новин звітів).
Але що таке кислота, хімічно кажучи? І чи існують окремі властивості різних кислот, які полегшують визначення рН розчину, якщо ви знаєте молярну концентрацію кислоти, розчиненої в цьому розчині? Ця риса "підпису" називається константа дисоціації кислотиКа. Іноді неофіційно, записаний як ka, ви можете обчислити рН математично просто.
Кислоти у розчині
Кислота - це молекула, яка може віддавати протон (і рідко, більше одного протона в послідовності) у водному розчині, тобто, розчиняючись у воді, для іонізації. Це означає, що протон (H+) залишається "плавати" серед молекул води, де його часто представляють як
іон гідронію (H3О+) через здатність води приймати ці подаровані протони. Молекула, яка залишилася позаду, є аніоном.Приклад: Вугільна кислота (H2CO3) віддає протон у водному розчині, щоб стати H+ (часто виражається як H3О+) та бікарбонату (HCO3−).
Сильні кислоти, такі як соляна кислота (HCl), більше "охоче" віддають протони, ніж набагато численніші слабкі кислоти, що означає, що вони можуть розвантажувати протони навіть у середовищі з низьким рН, тобто такий, який вже багатий протонами, і, отже, сам не "прагне" взяти більше. Слабкі кислоти прагнуть віддавати свої протони лише тоді, коли pH навколишнього середовища високий, тобто концентрація протона є відносно низькою.
Що таке шкала рН?
Вище ви читали, що низький рН означає навколишнє середовище з великою кількістю протонів, звільнених від батьківських кислот. Як правило, шкала рН - це логарифмічна шкала або "журнал", яка для практичних цілей коливається від 1 до 14, від більшості до найменш кислої. Рівняння для рН:
pH = -log_ {10} [H ^ {+}]
Тут [H +] - це мольна концентрація (тобто кількість молей, або окремих атомів / молекул на літр розчину) протонів. Кожне десятикратне збільшення концентрації протонів обумовлює рН вниз на одну цілу одиницю і навпаки.
Приклад: Який рН розчину 0,025 М розчину протонів?
рН = −log10[0,025 моль / л] = 1,602
Постійна кислотної іонізації Ка
Кожна кислота має власну константу іонізації, яка визначається:
K_ {a} = \ dfrac {[A ^ {-}] [H_ {3} O ^ {+}]} {[HA]}
Тут [A−], [H3О+] та [HA] являють собою рівноважні концентрації іонізованої кислоти, протонів та неіонізованої (тобто "цілої") кислоти відповідно. Кa таким чином пропонує міру "ентузіазму" кислоти для розвантаження протонів і, отже, сили; чим сильніше дисоціює кислота в рівновазі, тим більший чисельник по відношенню до знаменника в цьому рівнянні і тим вище Ka.
Розрахунок рН за рКа: Рівняння Хендерсона-Хассельбаха
Ви можете розрахувати рН розчину, враховуючи рКа кислоти та концентрації вище, без урахування донорних протонів. Обчислення pKa від Кa означає виконання тієї ж операції, що і з рН: Візьміть негативний логарифм Ka, і є ваша відповідь.
Висновок бере участь, але Рівняння Хендерсона-Хассельбаха пов'язує ці величини наступним чином:
pH = pKa + log_ {10} \ dfrac {[A ^ {-}]} {[HA]}
Приклад: Ka оцтової кислоти, основної складової оцту, становить 1,77 × 10−5. Яким є рН розчину, в якому диссоціюється 1/10 частина кислоти?
Для вирішення спочатку визначте pKa, який є просто −log10(1.77 × 10−5) = 4.75. Тоді використовуйте той факт, що відношення [A−] до [HA} = 1/10 = 0,1
рН = 4,75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75
Це означає, що при рН нижче рКа оцтової кислоти менше половини буде дисоційованим або іонізованим; при вищих значеннях рН більше половини буде іонізовано. Дійсно, якщо ви встановите [A -] = [HA], ви виявите, що pKa кислоти - це просто рН, при якому половина кислоти дисоціює, а половина є "неушкодженою".