Какво е pKa? Връзка с pH

pK _a измерва „силата“ на киселина на Bronsted, т.е. на вещество, което отдава H+ йон (протон), за да образува спрегната основа. Протонът H+ е силна киселина на Луис, която привлича електронни двойки много ефективно, толкова ефективно, че почти винаги е свързана с донор на електрони. Силната киселина на Bronsted е съединение, което много лесно отдава своя протон. От своя страна слабата киселина на Bronsted е съединение, което по-трудно отдава своя протон. В краен случай, съединение, от което е много, много трудно да се отстрани протон, изобщо не се счита за киселина.

Когато едно съединение отдава протон, то запазва двойката електрони, които преди това е споделяло с този протон, като по този начин се превръща в спрегната база. От друга гледна точка, силна киселина на Брьонстед лесно отдава протон и се превръща в слаба основа на Брьонстед. Базата на Бронстед не образува лесно връзка с протона и не е добра в предаването на своята електронна двойка на протон. Следователно го прави слабо.

По същия начин, ако едно съединение се откаже от протон и стане силна основа, основата лесно ще възвърне протона. Всъщност силната основа се конкурира толкова много с протона, че съединението остава протонирано. Тук съединението все още е киселина на Бронстед, вместо да се йонизира, за да се превърне в силна спрегната основа, което го прави слаба киселина на Бронстед.

Следователно трябва да имате предвид, че:

• Ниско pKa означава, че протонът не е стабилен.
• Понякога pKa може да бъде толкова ниско, че да е отрицателно число.
• Високо pKa означава, че протонът е силно задържан.

Уравнението на Хендерсън-Хаселбалх

Уравнението на Henderson-Hasselbalch е разработено независимо от американския биохимик LJ Henderson и шведския физиолог KA Hasselbalch, за да свърже pH с бикарбонатната буферна система на кръвта. В общата си форма уравнението на Хендерсън-Хаселбалх е полезен израз за изчисляване на ограниченията. Тя може да бъде получена от израза на равновесната константа за реакция на дисоциация на обща слаба киселина (HA) в уравнението:

където K _a е равновесната константа при дадена температура. За определен набор от експериментални условия, тази константа на равновесие се означава като K _a и се нарича константа на видима дисоциация. Колкото по-висока е стойността на K _a , толкова по-голям е броят на H+ йони, освободени на мол киселина в разтвора, и следователно толкова по-силна е киселината. Следователно K _a е мярка за силата на киселината. Пренареждайки уравнението и решавайки за концентрацията на водородни йони, получаваме:

Тъй като log [H+] = pH и log (Ka) = pK _a и чрез прилагане на логаритми към горните уравнения получаваме:

или

Където:

[A ^– ] е концентрацията на спрегнатата база,

[HA] е концентрацията на (недисоциирана) киселина,

pK _a е отрицателният логаритъм от стойността на K _a

и _Ka е константата на дисоциация на киселината.

Обсъждане на стойностите на pH и pKa

Уравнението на Henderson-Hasselbalch често се използва за определяне на съотношението на конюгирана основа [A-] към конюгирана киселина [HA], което трябва да се използва за постигане на дадена стойност на рН на буфер. За да направим това, трябва да знаем стойността на pKa на спрегнатата киселина, която ще използвате. Горното уравнение обаче има допълнителна информация, която трябва да разберем.

Въпреки че концепцията за pKa _е обяснена по-горе, функционалната дефиниция на pKa _често се разбира погрешно. Нещото, което трябва да запомните от тази тема е, че когато pH е равно на pKa на киселина, концентрацията на конюгираната основа и конюгираната киселина са равни, което означава, че има 50% съотношение на конюгираната основа към 50% съотношение от 50 % спрегната киселина.

Така, ако включим концентрациите на спрегнатата основа и спрегнатата киселина в уравнението на Хендерсън-Хаселбах (няма значение каква е концентрацията) и те са еднакви, съотношението им ще бъде 1:1, което означава, че логаритъма на тази пропорция е нула (0). Независимо от това коя киселина (представена като протонен донор [H+]) се наблюдава, горната зависимост е валидна.

Например, тъй като оцетната киселина има стойност _на pK приблизително 4,7, когато рН е равно на това pKa, съотношението на ацетат към оцетна киселина ще бъде 1:1. За друга киселина, като например флуороводородна (HF), която има стойност на pKa около 4,0, когато pH е равно на 4,0, съотношението на флуоридния йон към флуороводородна киселина ще бъде 1:1.

Буферни разтвори

Буферните разтвори са водни разтвори, състоящи се от смес от слаба киселина и нейната спрегната основа или слаба основа и нейната спрегната киселина. Важно свойство на буферните разтвори е способността им да поддържат относително постоянна стойност на pH в отговор на добавянето на малко количество киселина или основа. Освен това рН на буферните разтвори остава относително стабилно дори по време на разреждане.

Поради тази причина буферите се използват в широк спектър от химически приложения, предимно като реагенти за поддържане на постоянна стойност на pH. Например при производството на багрила, при ферментационни процеси, както и за регулиране на pH на храни, козметика и лекарства. pH на буфера зависи от pK _a на киселината (или pK _b на основата) и съотношението на концентрациите на киселината (основата) и нейната конюгирана основа (киселина). Тази зависимост се описва от уравнението на Хендерсън-Хаселбалх, представено по-горе.

Източници

• Гариц, М. (2005). Киселинно-алкални баланси .
• Пардо, Дж. и Матус, Д. (2014). Използването на уравнението на Хендерсън-Хаселбалх за изчисляване на pH на кръвта.
• Васкес, Е. и Рохас, Г. (2016). pH : теория и 132 задачи.