pKa-Rechner - Säuredissoziationskonstanten sofort berechnen

pKa ist eine Zahl, mit der Chemiker angeben, wie stark eine Säure in Wasser ist. Sie entspricht dem negativen Logarithmus zur Basis 10 der Säuredissoziationskonstanten Ka und zeigt, wie leicht ein Molekül ein Wasserstoffion (H⁺) abgibt. Niedrigere pKa-Werte bedeuten stärkere Säuren, höhere Werte schwächere. Dieser Rechner sucht den pKa-Wert einer chemischen Formel, etwa CH3COOH oder HCl, in einer Referenztabelle häufig verwendeter Säuren und Basen.

Was ist pKa?

Eine Säure ist ein Stoff, der beim Auflösen in Wasser ein Wasserstoffion, H⁺, abgeben kann. Einige Säuren geben dieses Ion leicht ab, andere halten es fest. Der pKa-Wert gibt diesen Unterschied an.

Ein niedriger pKa-Wert, auch bei negativen Zahlen, bedeutet, dass die Säure ihr Proton leicht abgibt und eine starke Säure ist. Ein hoher pKa-Wert bedeutet, dass die Säure ihr Proton festhält und eine schwache Säure ist.

pKa-Formel

Wenn sich eine Säure (HA) in Wasser löst, reagiert sie in einer umkehrbaren Reaktion:

HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺

HA ist die Säure. A⁻ ist ihre konjugierte Base, also der Teil, der nach der Abgabe eines Protons durch die Säure übrig bleibt. H₃O⁺ ist das Hydroniumion, ein Wassermolekül, das das abgegebene Proton aufgenommen hat.

Im Gleichgewicht bestimmen die Konzentrationen dieser drei Bestandteile die Säuredissoziationskonstante Ka:

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

wobei $K_a$ die Säuredissoziationskonstante bezeichnet und die eckigen Klammern für die Konzentration jeder Spezies im Gleichgewicht stehen.

pKa ist der negative Logarithmus zur Basis 10 von Ka:

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

Chemiker verwenden pKa statt Ka, weil Ka-Werte extrem groß oder extrem klein sein können und sich über viele Zehnerpotenzen erstrecken. Der Logarithmus wandelt diese Zahlen in eine kompakte Skala um, die sich leichter ablesen und vergleichen lässt; aus demselben Grund wird die pH-Skala statt der direkten Wasserstoffionenkonzentration verwendet. Ein größerer Ka-Wert bedeutet, dass mehr Säure in Ionen zerfällt, daher entspricht ein größerer Ka-Wert immer einem kleineren pKa-Wert. Deshalb bedeutet ein niedrigerer pKa-Wert eine stärkere Säure.

Wie wird pKa berechnet?

Die Datenbank hinter diesem Rechner enthält pKa-Werte, die direkt in Experimenten gemessen wurden. pKa kann jedoch auch aus dem pH-Wert einer Lösung berechnet werden, wenn die Konzentrationen der Säure und ihrer konjugierten Base bekannt sind, indem die Henderson-Hasselbalch-Gleichung umgestellt wird:

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

Diese Methode ist am genauesten, wenn der pH-Wert der Lösung nahe am pKa-Wert liegt, da kleine Messfehler dort den geringsten Einfluss auf das Ergebnis haben.

Rechenbeispiel

Essigsäure (CH3COOH), die Säure im Essig, hat einen pKa-Wert von 4,76.

Um ihren Ka-Wert zu bestimmen, wird die Formel umgekehrt:

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

Um den pH-Wert einer Lösung zu bestimmen, in der das Acetation (A⁻) 1,7-mal so konzentriert ist wie die undissoziierte Säure (HA), wird die Henderson-Hasselbalch-Gleichung in umgekehrter Richtung verwendet:

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

pKa und Säurestärke

pKa-Werte reichen gewöhnlich von etwa −10 für die stärksten Säuren bis 50 für die schwächsten. Die meisten Säuren, mit denen in Schule oder Forschungslabor gearbeitet wird, liegen zwischen −10 und 15. Die folgende Tabelle enthält Beispielwerte.

Eine nützliche Faustregel lautet: Der pKa-Wert einer Säure entspricht dem pH-Wert, bei dem genau die Hälfte ihrer Moleküle ihr Proton abgegeben hat. Dieser Punkt ist für Pufferlösungen wichtig, die weiter unten beschrieben werden.

Warum ist pKa wichtig?

Eine Pufferlösung widersteht Änderungen des pH-Werts, wenn kleine Mengen einer Säure oder Base hinzugegeben werden. Ein Puffer funktioniert am besten, wenn sein pKa-Wert höchstens etwa eine pH-Einheit vom Ziel-pH-Wert entfernt liegt, da das Gemisch aus Säure und konjugierter Base dann die größte Menge der hinzugegebenen Säure oder Base aufnehmen kann. Ein Phosphatpuffer nahe pH 7 und ein Acetatpuffer nahe pH 4,76 beruhen beide auf dieser Regel.

Im Körper beeinflusst der pKa-Wert, wie Arzneimittel Zellmembranen passieren. Nur die nichtionisierte Form eines Moleküls, also die Form ohne elektrische Ladung, passiert die fetthaltige Zellmembran leicht. Aspirin, eine schwache Säure, bleibt im sauren Magen (pH 1 bis 2) größtenteils nichtionisiert und wird dort aufgenommen. Sobald es den nahezu neutralen Blutkreislauf erreicht, geht ein größerer Anteil in die ionisierte Form über.

Der pKa-Wert beeinflusst auch, wie sich Proteine falten und wie Enzyme funktionieren. Seitenketten von Aminosäuren nehmen abhängig vom umgebenden pH-Wert Protonen auf oder geben sie ab, wodurch sich ihre elektrische Ladung und ihr Verhalten ändern.

Einige Säuren haben mehr als einen pKa-Wert, weil sie mehr als ein Proton abgeben können. Phosphorsäure (H3PO4) kann drei Protonen nacheinander abgeben. Jeder nachfolgende pKa-Wert ist höher als der vorherige, weil mehr Energie benötigt wird, um ein Proton von einem bereits negativ geladenen Molekül abzulösen. Dieser Rechner gibt bei solchen Säuren den ersten und niedrigsten pKa-Wert an.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen pKa und pH?

pKa ist eine feste Eigenschaft einer bestimmten Säure. Der pH-Wert beschreibt den Säuregrad einer tatsächlichen Lösung und ändert sich, sobald eine Säure oder Base hinzugegeben wird. Essigsäure hat immer einen pKa-Wert von 4,76, doch eine essigsäurehaltige Lösung kann je nach gelöster Menge und den übrigen Bestandteilen nahezu jeden pH-Wert haben.

Kann pKa negativ oder höher als 14 sein?

Ja. Die pH-Skala in Wasser reicht ungefähr von 0 bis 14, aber für pKa gibt es keine solche Grenze. Starke Säuren wie Salzsäure (pKa −6,3) haben negative Werte, und sehr schwache Säuren wie Ethan (pKa 50) haben sehr hohe Werte.

Warum haben manche Säuren mehr als einen pKa-Wert?

Eine Säure mit mehr als einem abspaltbaren Wasserstoffion gibt diese Ionen nacheinander ab, und jeder Schritt hat sein eigenes Gleichgewicht und seinen eigenen pKa-Wert. Phosphorsäure hat drei pKa-Werte, weil sie drei Protonen nacheinander abgeben kann, wobei jedes schwerer abzuspalten ist als das vorherige.

Wie beeinflusst die Temperatur den pKa-Wert?

Die meisten pKa-Werte verschieben sich mit der Temperatur geringfügig, weil die Säuredissoziation gewöhnlich eine endotherme Reaktion ist, also Wärme aufnimmt. Das Erwärmen einer Lösung begünstigt eine stärkere Dissoziation, wodurch Ka steigt und pKa geringfügig sinkt. Referenztabellen, auch die hinter diesem Rechner, geben normalerweise einen einzelnen pKa-Wert für Standardbedingungen an.

Warum wird eine Verbindung im Rechner nicht angezeigt?

Der Rechner vergleicht Formeln mit einer festen Liste häufig verwendeter Säuren und Basen. Er erwartet eine Schreibweise als Klartext, etwa H2SO4 statt H₂SO₄, wobei die Elemente in der Standardreihenfolge stehen. Wenn eine Formel korrekt eingegeben wurde, aber dennoch kein Ergebnis erscheint, befindet sich die Verbindung wahrscheinlich nicht in dieser Referenzliste. Eine Chemiedatenbank wie PubChem kann stattdessen einen Wert dafür aufführen.

Wie wird mit pKa ein Puffer ausgewählt?

Ein Puffer funktioniert am besten innerhalb von etwa einer pH-Einheit um den pKa-Wert seiner Säure. Um eine Lösung beispielsweise nahe pH 7 zu halten, würde ein Chemiker eine Säure mit einem pKa-Wert nahe 7 auswählen, da Säure und konjugierte Base dort in ähnlichen Mengen vorliegen und die größte Menge der hinzugegebenen Säure oder Base neutralisieren können.