Was ist pKa? Beziehung zum pH-Wert

Der pKa _misst die „Stärke“ einer Brönsted-Säure, dh einer Substanz, die ein H+-Ion (Proton) abgibt, um eine konjugierte Base zu bilden. Ein H+-Proton ist eine starke Lewis-Säure, die Elektronenpaare sehr effizient anzieht, so effizient, dass es fast immer an einen Elektronendonor gebunden ist. Eine starke Brönsted-Säure ist eine Verbindung, die ihr Proton sehr leicht abgibt. Eine schwache Brönsted-Säure ist ihrerseits eine Verbindung, die ihr Proton schwerer abgibt. Im Extremfall wird eine Verbindung, aus der sich ein Proton nur sehr, sehr schwer entfernen lässt, überhaupt nicht als Säure betrachtet.

Wenn eine Verbindung ein Proton abgibt, behält sie das Elektronenpaar, das sie zuvor mit diesem Proton geteilt hat, und wird so zu einer konjugierten Base. Aus einem anderen Blickwinkel gibt eine starke Brönsted-Säure leicht ein Proton ab und wird zu einer schwachen Brönsted-Base. Die Bronsted-Base bildet nicht leicht eine Bindung mit dem Proton und ist nicht gut darin, ihr Elektronenpaar an ein Proton abzugeben. Daher ist es so schwach.

Wenn eine Verbindung ein Proton abgibt und zu einer starken Base wird, wird die Base das Proton leicht zurückgewinnen. Tatsächlich konkurriert die starke Base so stark mit dem Proton, dass die Verbindung protoniert bleibt. Hier ist die Verbindung immer noch eine Brönsted-Säure, anstatt zu ionisieren, um die starke konjugierte Base zu werden, was sie zu einer schwachen Brönsted-Säure macht.

Daher müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

• Ein niedriger pKa bedeutet, dass das Proton nicht stabil bleibt.
• Manchmal kann der pKa so niedrig sein, dass er eine negative Zahl ist.
• Ein hoher pKa bedeutet, dass das Proton stark gehalten wird.

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung wurde unabhängig voneinander von dem amerikanischen Biochemiker LJ Henderson und dem schwedischen Physiologen KA Hasselbalch entwickelt, um den pH-Wert mit dem Bicarbonat-Puffersystem des Blutes in Beziehung zu setzen. In ihrer allgemeinen Form ist die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein nützlicher Ausdruck für die Berechnung von Obergrenzen. Sie kann aus dem Ausdruck der Gleichgewichtskonstante für eine allgemeine Dissoziationsreaktion einer schwachen Säure (HA) in der Gleichung abgeleitet werden:

wobei K _a die Gleichgewichtskonstante bei einer gegebenen Temperatur ist. Für einen definierten Satz experimenteller Bedingungen wird diese Gleichgewichtskonstante als K _a bezeichnet und als scheinbare Dissoziationskonstante bezeichnet. Je höher der Wert von Ka _, desto mehr H+-Ionen werden pro Mol Säure in die Lösung freigesetzt und desto stärker ist die Säure. K _a ist also ein Maß für die Stärke einer Säure. Wenn wir die Gleichung umstellen und nach der Konzentration von Wasserstoffionen auflösen, erhalten wir:

Da log [H+] = pH und log (Ka) = pK _a und durch Anwendung von Logarithmen auf die obigen Gleichungen erhalten wir:

entweder

Wo:

[A ^– ] ist die Konzentration der konjugierten Base,

[HA] ist die Konzentration der (undissoziierten) Säure,

pK _a ist der negative Logarithmus des K _{a -Werts}

und K _a die Dissoziationskonstante der Säure ist.

Diskussion von pH- und pKa-Werten

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung wird häufig verwendet, um das Verhältnis von konjugierter Base [A-] zu konjugierter Säure [HA] zu bestimmen, das verwendet werden muss, um einen bestimmten pH-Wert eines Puffers zu erreichen. Dazu müssen wir den pKa-Wert der konjugierten Säure kennen, die Sie verwenden werden. Die obige Gleichung enthält jedoch zusätzliche Informationen, die wir verstehen müssen.

Während das Konzept von pK _a oben erklärt wurde, wird die funktionale Definition von pK _a oft missverstanden. Bei diesem Thema sollten Sie sich merken, dass, wenn der pH-Wert gleich dem pKa einer Säure ist, die Konzentration der konjugierten Base und der konjugierten Säure gleich ist, was bedeutet, dass ein Verhältnis von 50 % der konjugierten Base zu einem Verhältnis von 50 % von 50 vorliegt % korrespondierende Säure.

Wenn wir also die Konzentrationen der konjugierten Base und der konjugierten Säure in die Henderson-Hasselbach-Gleichung einsetzen (es spielt keine Rolle, wie hoch die Konzentration ist) und sie gleich sind, beträgt ihr Verhältnis 1:1, was bedeutet, dass die Der Logarithmus dieses Anteils ist Null (0). Unabhängig davon, welche Säure (dargestellt als Protonendonor [H+]) beobachtet wird, gilt die obige Beziehung.

Da beispielsweise Essigsäure einen pKa-Wert _von ungefähr 4,7 hat, wäre das Verhältnis von Acetat zu Essigsäure 1:1, wenn der pH gleich diesem pKa ist. Für eine andere Säure, wie etwa Flusssäure (HF), die einen pKa-Wert von etwa 4,0 hat, wäre das Verhältnis von Fluoridion zu Flusssäure 1:1, wenn der pH-Wert 4,0 beträgt.

Pufferlösungen

Pufferlösungen sind wässrige Lösungen, die aus einer Mischung einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure bestehen. Eine wichtige Eigenschaft von Pufferlösungen ist ihre Fähigkeit, als Reaktion auf die Zugabe einer kleinen Menge Säure oder Base einen relativ konstanten pH-Wert aufrechtzuerhalten. Außerdem bleibt der pH-Wert der Pufferlösungen auch während der Verdünnung relativ stabil.

Aus diesem Grund werden Puffer in vielen chemischen Anwendungen eingesetzt, vor allem als Reagenzien zur Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes. Zum Beispiel bei der Herstellung von Farbstoffen, bei Fermentationsprozessen sowie zur pH-Wert-Einstellung von Lebensmitteln, Kosmetika und Medikamenten. Der pH-Wert des Puffers hängt vom pK _a der Säure (oder dem pK _b der Base) und dem Verhältnis der Konzentrationen der Säure (Base) und ihrer konjugierten Base (Säure) ab. Diese Abhängigkeit wird durch die oben dargestellte Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben.

Quellen

• Garritz, M. (2005). Säure-Basen-Gleichgewicht .
• Pardo, J. und Matus, D. (2014). Die Verwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung zur Berechnung des Blut-pH.
• Vásquez, E. und Rojas, G. (2016). pH : Theorie und 132 Probleme.