Sinhyu/iStock/GettyImages
När du tänker på syror – vinäger, blekmedel eller till och med citronsyrans syrlighet – engagerar du dig i pH-skalan, verktyget som kvantifierar surheten i vattenlösningar. Förstå hur man översätter den inneboende surheten hos ett ämne (dess syradissociationskonstant (Ka) ) till ett mätbart pH-värde är viktigt för kemister, pedagoger och alla som arbetar med syror.
I vatten donerar en syra en proton (H⁺) och blir en anjon. Den frigjorda protonen associeras med en vattenmolekyl och bildar hydroniumjonen (H₃O⁺). Den ursprungliga syran blir dess konjugerade bas. Till exempel dissocierar kolsyra (H2CO3) till H3O+ och bikarbonat (HCO3⁻).
Starka syror som saltsyra (HCl) frigör protoner lätt även i redan sura medier, medan svaga syror bara joniseras märkbart när den omgivande protonkoncentrationen är låg (dvs. vid högre pH).
pH-skalan är logaritmisk och sträcker sig från cirka 1 (mycket sur) till 14 (mycket basisk). Det definieras av:
\(\text{pH} =-\log_{10}[\text{H}^+]\)
där \([\text{H}^+]\) är den molära koncentrationen av fria protoner. Varje tiofaldig ökning av protonkoncentrationen sänker pH med en enhet.
Exempel: En 0,025M protonlösning har
\(\text{pH} =-\log_{10}(0,025) =1,602\)
Ka kvantifierar en syras tendens att dissociera:
\(K_a =\dfrac{[A^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[HA]}\)
Högre Ka-värden indikerar starkare syror, vilket betyder mer fullständig dissociation vid jämvikt.
Genom att ta den negativa logaritmen av Ka får vi syrans pKa:
\(\text{pKa} =-\log_{10}K_a\)
Henderson-Hasselbalch-ekvationen länkar pH, pKa och förhållandet mellan konjugatbas och syra:
\(\text{pH} =\text{pKa} + \log_{10}\dfrac{[A^-]}{[HA]}\)
Detta förhållande är särskilt användbart för buffertlösningar, där både syran och dess konjugatbas är närvarande.
Exempel: Ättiksyra (CH₃COOH) har \(K_a =1,77 \x 10^{-5}\). Om endast 10 % av syran är dissocierad, då är \([A^-]/[HA] =0,1\). Beräkna först pKa:
\(\text{pKa} =-\log_{10}(1,77 \times 10^{-5}) =4,75\)
Applicera sedan Henderson–Hasselbalch:
\(\text{pH} =4,75 + \log_{10}(0,1) =4,75 - 1 =3,75\)
Vid ett pH lika med pKa är koncentrationerna av syra och konjugatbas lika, vilket betyder att 50 % av syran är dissocierad.
Dessa ekvationer ger en enkel metod för att förutsäga pH för alla lösningar där syrans Ka och koncentration är kända.
• pH-skalan mäter protonkoncentrationen på en logaritmisk skala.
• Ka uttrycker en syras dissociationsbenägenhet; pKa är dess logaritmiska motsvarighet.
• Henderson–Hasselbalchs ekvation överbryggar pH, pKa och syra/basförhållandet, vilket möjliggör noggranna pH-beräkningar för buffertar och svaga syror.
