Mikä on pKa? Suhde pH:hon

pKa _mittaa Bronsted-hapon ”voimakkuutta”, toisin sanoen aineen, joka luovuttaa H+-ionin (protonin) muodostaakseen konjugaattiemäksen. H+-protoni on vahva Lewis-happo, joka houkuttelee elektronipareja erittäin tehokkaasti, niin tehokkaasti, että se on lähes aina sitoutunut elektronin luovuttajaan. Vahva Bronsted-happo on yhdiste, joka luovuttaa protoninsa erittäin helposti. Heikko Bronsted-happo puolestaan ​​on yhdiste, joka luovuttaa protoninsa vaikeammin. Äärimmäisessä tapauksessa yhdistettä, josta on erittäin, erittäin vaikea poistaa protoni, ei pidetä ollenkaan happona.

Kun yhdiste luovuttaa protonin, se säilyttää elektroniparin, jonka se jakoi aiemmin kyseisen protonin kanssa, jolloin siitä tulee konjugaattiemäs. Toisesta näkökulmasta, vahva Bronsted-happo luovuttaa helposti protonin ja siitä tulee heikko Bronsted-emäs. Bronstedin emäs ei muodosta helposti sidosta protonin kanssa, eikä se ole hyvä antamaan elektronipariaan protonille. Siksi se tekee niin heikosti.

Vastaavasti, jos yhdiste luopuu protonista ja siitä tulee vahva emäs, emäs saa protonin helposti takaisin. Itse asiassa vahva emäs kilpailee niin paljon protonin kanssa, että yhdiste pysyy protonoituneena. Tässä yhdiste on edelleen Bronsted-happo sen sijaan, että se ionisoituisi vahvaksi konjugaattiemäkseksi, mikä tekee siitä heikon Bronsted-hapon.

Joten sinun on otettava huomioon, että:

• Matala pKa tarkoittaa, että protoni ei pysy vakaana.
• Joskus pKa voi olla niin alhainen, että se on negatiivinen luku.
• Korkea pKa tarkoittaa, että protoni on vahvasti paikoillaan.

Henderson-Hasselbalchin yhtälö

Amerikkalainen biologinen kemisti LJ Henderson ja ruotsalainen fysiologi KA Hasselbalch kehittivät Henderson-Hasselbalch-yhtälön itsenäisesti suhteuttaakseen pH:n veren bikarbonaattipuskurijärjestelmään. Yleisessä muodossaan Henderson-Hasselbalch-yhtälö on käyttökelpoinen lauseke korkojen laskemiseen. Se voidaan johtaa yleisen heikon hapon (HA) dissosiaatioreaktion tasapainovakion lausekkeesta yhtälössä:

jossa _Ka on tasapainovakio tietyssä lämpötilassa. Määritetylle koeolosuhteiden joukolle tätä tasapainovakiota merkitään Ka _ja sitä kutsutaan näennäiseksi dissosiaatiovakioksi. Mitä suurempi Ka-arvo _on , sitä suurempi H+-ionien määrä vapautuu liuoksessa olevaa happomoolia kohden, ja siksi sitä vahvempi happo on. Ka _on siis hapon vahvuuden mitta. Järjestämällä yhtälön uudelleen ja ratkaisemalla vetyionien konsentraation saadaan:

Koska log [H+] = pH ja log (Ka) = pK _a ja soveltamalla logaritmeja yllä oleviin yhtälöihin saadaan:

jompikumpi

Missä:

[A ^– ] on konjugaattiemäksen pitoisuus,

[HA] on (dissosioitumattoman) hapon pitoisuus,

pK _{a on Ka –} arvon negatiivinen logaritmi

ja Ka _on hapon dissosiaatiovakio.

Keskustelu pH- ja pKa-arvoista

Henderson-Hasselbalch-yhtälöä käytetään usein määrittämään konjugaattiemäksen [A-] suhde konjugaattihappoon [HA], jota on käytettävä puskurin tietyn pH-arvon saavuttamiseksi. Tätä varten meidän on tiedettävä käytettävän konjugaattihapon pKa-arvo. Yllä oleva yhtälö sisältää kuitenkin lisätietoa, joka meidän on ymmärrettävä.

_{Vaikka pKa: n} käsite on selitetty yllä, _pKa:n toiminnallinen määritelmä ymmärretään usein väärin. Tästä aiheesta on muistettava, että kun pH on yhtä suuri kuin hapon pKa, konjugaattiemäksen ja konjugaattihapon konsentraatiot ovat yhtä suuret, mikä tarkoittaa, että konjugaattiemäksen suhde on 50 % suhteessa 50 %:iin 50 % konjugaattihappoa.

Jos siis liitämme konjugaattiemäksen ja konjugaattihapon pitoisuudet Henderson-Hasselbach-yhtälöön (konsentraatiolla ei ole väliä) ja ne ovat samat, niiden suhde on 1:1, mikä tarkoittaa, että tämän osuuden logaritmi on nolla (0). Huolimatta siitä, mikä happo (esitetty protonin luovuttajana [H+]) havaitaan, yllä oleva suhde pätee.

Esimerkiksi, koska etikkahapon pK-arvo on _noin 4,7, kun pH on yhtä suuri kuin pKa, asetaatin suhde etikkahappoon olisi 1:1. Toiselle hapolle, kuten fluorivetyhappo (HF), jonka pKa-arvo on noin 4,0, kun pH on 4,0, fluoridi-ionin suhde fluorivetyhappoon olisi 1:1.

Puskuriratkaisut

Puskuriliuokset ovat vesiliuoksia, jotka koostuvat heikon hapon ja sen konjugaattiemäksen tai heikon emäksen ja sen konjugaattihapon seoksesta. Puskuriliuosten tärkeä ominaisuus on niiden kyky ylläpitää suhteellisen vakio pH-arvo vasteena pienen määrän happoa tai emästä lisäämiseen. Lisäksi puskuriliuosten pH pysyy suhteellisen vakaana jopa laimennuksen aikana.

Tästä syystä puskureita käytetään monissa kemiallisissa sovelluksissa, ensisijaisesti reagensseina ylläpitämään vakio pH-arvoa. Esimerkiksi väriaineiden valmistuksessa, käymisprosesseissa sekä elintarvikkeiden, kosmetiikan ja lääkkeiden pH:n säätöön. Puskurin pH riippuu hapon pKa:sta ₍ tai emäksen pK _b :stä) sekä hapon (emäksen) ja sen konjugaattiemäksen (happo) pitoisuuksien suhteesta. Tätä riippuvuutta kuvaa yllä esitetty Henderson-Hasselbalch-yhtälö.

Lähteet

• Garritz, M. (2005). Happo-emästasapainot .
• Pardo, J. ja Matus, D. (2014). Henderson-Hasselbalchin yhtälön käyttö veren pH:n laskemiseen.
• Vásquez, E. ja Rojas, G. (2016). pH : teoria ja 132 ongelmat.