Vzťah pH a pKa: Henderson-Hasselbalchova rovnica

Definícia a príklad

Nicola Tree / Getty Images

The pH je miera koncentrácie vodíkových iónov vo vodnom roztoku. pKa ( disociačná konštanta kyseliny ) a pH spolu súvisia, ale pKa je špecifickejšie v tom, že vám pomáha predpovedať, čo molekula urobí pri a špecifické pH . V podstate vám pKa hovorí, aké pH musí byť, aby chemický druh daroval alebo prijal protón.

Vzťah medzi pH a pKa je opísaný v Henderson-Hasselbalchova rovnica .

pH, pKa a Henderson-Hasselbalchova rovnica

• pKa je hodnota pH, pri ktorej chemická látka prijme alebo daruje protón.
• Čím je pKa nižšie, tým je kyselina silnejšia a tým väčšia je schopnosť darovať protón vo vodnom roztoku.
• Henderson-Hasselbalchova rovnica spája pKa a pH. Je to však len približný údaj a nemal by sa používať pre koncentrované roztoky alebo pre kyseliny s extrémne nízkym pH alebo zásady s vysokým pH.

pH a pKa

Keď máte hodnoty pH alebo pKa, viete určité veci o roztoku a o tom, ako sa porovnáva s inými roztokmi:

• Čím nižšie je pH, tým vyššia je koncentrácia vodíkových iónov [H⁺].
• Čím je pKa nižšie, tým je kyselina silnejšia a tým väčšia je jej schopnosť darovať protóny.
• pH závisí od koncentrácie roztoku. To je dôležité, pretože to znamená, že slabá kyselina môže mať v skutočnosti nižšie pH ako zriedená silná kyselina. Napríklad koncentrovaný ocot (kyselina octová, čo je slabá kyselina) môže mať nižšie pH ako zriedený roztok kyseliny chlorovodíkovej (silná kyselina).
• Na druhej strane je hodnota pKa konštantná pre každý typ molekuly. Nie je ovplyvnená koncentráciou.
• Dokonca aj chemikália bežne považovaná za zásadu môže mať hodnotu pKa, pretože výrazy „kyseliny“ a „zásady“ jednoducho odkazujú na to, či sa druh vzdá protónov (kyselina) alebo ich odstráni (zásada). Napríklad, ak máte zásadu Y s pKa 13, prijme protóny a vytvorí YH, ale keď pH presiahne 13, YH sa deprotonizuje a stane sa Y. Pretože Y odstraňuje protóny pri pH vyššom ako pH neutrálnej vody (7) sa považuje za základ.

Vzťah pH a pKa s Hendersonovou-Hasselbalchovou rovnicou

Ak poznáte pH alebo pKa, môžete vyriešiť inú hodnotu pomocou aproximácie nazývanej Henderson-Hasselbalchova rovnica:

pH = pKa + log ([konjugovaná báza]/[slabá kyselina])
pH = pka+log ([A^-]/[ON MÁ])

pH je súčet hodnoty pKa a logaritmu koncentrácie konjugovanej bázy delený koncentráciou slabej kyseliny.

V polovici bodu ekvivalencie:

pH = pKa

Stojí za zmienku, že niekedy je táto rovnica napísaná pre K_ahodnotu skôr ako pKa, takže by ste mali poznať vzťah:

pKa = -logK_a

Predpoklady pre Henderson-Hasselbalchovu rovnicu

Dôvod, prečo je Hendersonova-Hasselbalchova rovnica aproximáciou, je ten, že z rovnice odstraňuje chémiu vody. Funguje to, keď je rozpúšťadlom voda a je prítomná vo veľmi veľkom pomere k [H+] a kyslej/konjugovanej zásade. Nemali by ste sa pokúšať použiť aproximáciu pre koncentrované roztoky. Aproximáciu použite len vtedy, ak sú splnené nasledujúce podmienky:

• −1
• Molarita tlmivých roztokov by mala byť 100x väčšia ako je hodnota kyslej ionizačnej konštanty K_a.
• Iba používať silné kyseliny alebo silné základy ak hodnoty pKa spadajú medzi 5 a 9.

Príklad pKa a problém pH

Nájdite [H⁺] pre roztok 0,225 M NaNO_dvaa 1,0 M HNO_dva. K_ahodnota ( zo stola ) HNO_dvaje 5,6 x 10^-4.

pKa = −log K_a= −log(7,4×10⁻⁴) = 3,14

pH = pka + log ([A^-]/[ON MÁ])

pH = pKa + log([NO_dva^-]/[HNO_dva])

pH = 3,14 + log(1/0,225)

pH = 3,14 + 0,648 = 3,788

[H+] = 10^-pH= 10^{−3 788}= 1,6 x 10⁻⁴

Zdroje

• de Levie, Robert. Henderson-Hasselbalchova rovnica: jej história a obmedzenia. Journal of Chemical Education , 2003.
• Hasselbalch, K. A. 'Výpočet vodíkového čísla krvi z voľnej a viazanej kyseliny uhličitej tej istej a väzba kyslíka v krvi ako funkcia vodíkového čísla. biochemický časopis, 1917 , s.112–144.
• Henderson, Lawrence J. 'Pokiaľ ide o vzťah medzi silou kyselín a ich schopnosťou zachovať neutralitu.' American Journal of Physiology – Legacy Content , zv. 21, č. 2, február 1908, s. 173–179.
• Po, Henry N. a N. M. Senozan. Henderson-Hasselbalchova rovnica: jej história a obmedzenia. Journal of Chemical Education , zv. 78, č. 11, 2001, s. 1499.