pKa kalkulátor - Okamžitý výpočet konstant kyselé disociace

pKa je číslo, které chemici používají k měření síly kyseliny ve vodě. Rovná se zápornému logaritmu o základu 10 z disociační konstanty kyseliny Ka a ukazuje, jak snadno molekula odevzdává vodíkový ion (H⁺). Nižší hodnoty pKa znamenají silnější kyseliny, vyšší hodnoty slabší kyseliny. Tato kalkulačka vyhledává hodnotu pKa pro chemický vzorec, například CH3COOH nebo HCl, v referenční tabulce běžných kyselin a zásad.

Co je pKa?

Kyselina je látka, která může po rozpuštění ve vodě odevzdat vodíkový ion H⁺. Některé kyseliny tento ion odevzdávají snadno, jiné jej drží pevně. pKa je číslo, které tento rozdíl vyjadřuje.

Nízká hodnota pKa, včetně záporných čísel, znamená, že kyselina snadno odevzdává proton a je silná. Vysoká hodnota pKa znamená, že kyselina proton zadržuje a je slabá.

Vzorec pKa

Když se kyselina (HA) rozpustí ve vodě, reaguje vratnou reakcí:

HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺

HA je kyselina. A⁻ je její konjugovaná zásada, tedy část, která zůstane po ztrátě protonu kyselinou. H₃O⁺ je hydroniový ion, molekula vody, která přijala uvolněný proton.

V rovnováze určují koncentrace těchto tří částí disociační konstantu kyseliny Ka:

$K_a = \frac{[\mathrm{A}^-][\mathrm{H_3O}^+]}{[\mathrm{HA}]}$

kde $K_a$ označuje disociační konstantu kyseliny a hranaté závorky představují koncentraci jednotlivých částic v rovnováze.

pKa je záporný logaritmus o základu 10 Ka:

$pK_a = -\log_{10}(K_a)$

Chemici používají pKa místo Ka, protože hodnoty Ka mohou být mimořádně velké nebo malé a mohou zahrnovat mnoho řádů desítkové mocniny. Logaritmus převádí tato čísla na kompaktní stupnici, která se snadněji čte a porovnává; ze stejného důvodu se používá stupnice pH místo skutečné koncentrace vodíkových iontů. Větší Ka znamená, že více kyseliny disociuje na ionty, takže větší Ka vždy odpovídá menšímu pKa. Proto nižší pKa znamená silnější kyselinu.

Jak vypočítat pKa

Databáze této kalkulačky obsahuje hodnoty pKa naměřené přímo experimentálně. pKa však lze vypočítat také z pH roztoku, pokud jsou známy koncentrace kyseliny a její konjugované zásady, úpravou Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice:

$pK_a = pH - \log_{10}\frac{[\mathrm{A}^-]}{[\mathrm{HA}]}$

Tato metoda je nejpřesnější, když je pH roztoku blízké samotné hodnotě pKa, protože v tomto rozmezí mají malé chyby měření na výsledek nejmenší vliv.

Příklad výpočtu

Kyselina octová (CH3COOH), kyselina obsažená v octu, má pKa 4,76.

Její Ka zjistíme úpravou vzorce:

Ka = 10^(−pKa) = 10^(−4,76) ≈ 1,7 × 10⁻⁵

Chceme-li zjistit pH roztoku, v němž je koncentrace acetátového iontu (A⁻) 1,7krát vyšší než koncentrace nedisociované kyseliny (HA), použijeme Hendersonovu-Hasselbalchovu rovnici opačně:

pH = pKa + log₁₀([A⁻] / [HA]) = 4,76 + log₁₀(1,7) ≈ 5,0

pKa a síla kyseliny

Hodnoty pKa se obvykle pohybují přibližně od −10 u nejsilnějších kyselin do 50 u nejslabších. Většina kyselin používaných ve školní nebo výzkumné laboratoři leží mezi −10 a 15. Níže uvedená tabulka obsahuje příklady hodnot.

Užitečné pravidlo říká, že pKa kyseliny se rovná pH, při němž přesně polovina jejích molekul odevzdala proton. Tento bod je důležitý pro pufrační roztoky popsané níže.

Proč je pKa důležité

Pufrační roztok odolává změnám pH při přidání malého množství kyseliny nebo zásady. Pufr funguje nejlépe, když se jeho pKa od cílového pH liší přibližně o jednu jednotku pH, protože právě tehdy může směs kyseliny a konjugované zásady pohltit největší množství přidané kyseliny nebo zásady. Fosfátový pufr v blízkosti pH 7 a acetátový pufr v blízkosti pH 4,76 se řídí tímto pravidlem.

V těle pKa ovlivňuje, jak léčiva procházejí buněčnými membránami. Tukovou membránou buňky snadno prochází pouze neionizovaná forma molekuly, tedy forma bez elektrického náboje. Aspirin, slabá kyselina, zůstává v kyselém žaludku (pH 1 až 2) převážně neionizovaný a vstřebává se tam. Jakmile se dostane do téměř neutrálního krevního oběhu, větší část se mění na ionizovanou formu.

pKa také ovlivňuje skládání proteinů a fungování enzymů. Postranní řetězce aminokyselin získávají nebo ztrácejí protony v závislosti na okolním pH, čímž se mění jejich elektrický náboj a chování.

Některé kyseliny mají více než jednu hodnotu pKa, protože mohou ztratit více než jeden proton. Kyselina fosforečná (H3PO4) může postupně ztratit tři protony. Každá následující hodnota pKa je vyšší než předchozí, protože odebrání protonu z molekuly, která již má záporný náboj, vyžaduje více energie. Tato kalkulačka uvádí první, nejnižší hodnotu pKa u takových kyselin.

Často kladené otázky

Jaký je rozdíl mezi pKa a pH?

pKa je pevná vlastnost konkrétní kyseliny. pH popisuje kyselost skutečného roztoku a mění se pokaždé, když se do něj přidá kyselina nebo zásada. Kyselina octová má vždy pKa 4,76, ale roztok obsahující kyselinu octovou může mít téměř libovolné pH v závislosti na tom, jaké množství je rozpuštěno a co dalšího je ve směsi.

Může být pKa záporné nebo vyšší než 14?

Ano. Stupnice pH ve vodě sahá přibližně od 0 do 14, ale pKa takové omezení nemá. Silné kyseliny, například kyselina chlorovodíková (pKa −6,3), mají záporné hodnoty a velmi slabé kyseliny, například ethan (pKa 50), mají velmi vysoké hodnoty.

Proč mají některé kyseliny více než jednu hodnotu pKa?

Kyselina s více než jedním vodíkovým iontem, který může odevzdat, je ztrácí postupně a každý krok má vlastní rovnováhu i vlastní pKa. Kyselina fosforečná má tři hodnoty pKa, protože může postupně ztratit tři protony, přičemž každý další se odstraňuje obtížněji než předchozí.

Jak teplota ovlivňuje pKa?

Většina hodnot pKa se s teplotou mírně posouvá, protože disociace kyseliny je obvykle endotermická reakce, tedy reakce, při níž se absorbuje teplo. Zahřívání roztoku podporuje větší disociaci, což mírně zvyšuje Ka a snižuje pKa. Referenční tabulky, včetně tabulky použité touto kalkulačkou, obvykle uvádějí jedinou hodnotu pKa pro standardní podmínky.

Proč se některá sloučenina v kalkulačce nezobrazuje?

Kalkulačka porovnává vzorce s pevným seznamem běžných kyselin a zásad. Očekává zápis v prostém textu, například H2SO4 místo H₂SO₄, přičemž prvky musí být uvedeny ve standardním pořadí. Pokud je vzorec zadán správně, ale kalkulačka přesto nevrátí žádný výsledek, sloučenina se pravděpodobně v tomto referenčním seznamu nenachází. Její hodnotu může uvádět například chemická databáze PubChem.

Jak se pKa používá při výběru pufru?

Pufr funguje nejlépe v rozmezí přibližně jedné jednotky pH od pKa své kyseliny. Chceme-li například udržet roztok poblíž pH 7, chemik zvolí kyselinu s pKa blízkým 7, protože právě tehdy jsou kyselina a její konjugovaná zásada přítomny v podobném množství a mohou neutralizovat největší množství přidané kyseliny nebo zásady.