חשב ערכי pKa עבור תרכובות כימיות על ידי הזנת הנוסחה שלהן. חיוני להבנת עוצמת חומצה, חומרים מייצבי pH ואיזון כימי.
הכנס נוסחה כימית כדי לחשב את ערך ה-pKa שלה. ערך ה-pKa מצביע על עוצמת חומצה בתמיסה.
ערך ה-pKa הוא מדד כמותי לעוצמת חומצה בתמיסה. זהו הלוגריתם הבסיסי-10 השלילי של קבוע הדיסוציאציה של החומצה (Ka) של תמיסה.
הכנס נוסחה כימית בשדה הקלט למעלה. המחשבון יציג את ערך ה-pKa המתאים אם התרכובת נמצאת במאגר הנתונים שלנו.
המחשבון ערך pKa הוא כלי חיוני עבור כימאים, ביוכימאים, פרמקולוגים וסטודנטים העובדים עם חומצות ובסיסים. pKa (קבוע דיסוציאציה חומצית) הוא תכונה בסיסית שמכמתת את עוצמתה של חומצה בתמיסה על ידי מדידת נטייתה לתרום פרוטון (H⁺). מחשבון זה מאפשר לך לקבוע במהירות את ערך ה-pKa של תרכובת כימית על ידי הזנת הנוסחה הכימית שלה, ועוזר לך להבין את החומציות שלה, לחזות את התנהגותה בתמיסה ולעצב ניסויים בהתאם.
בין אם אתה לומד על שווי משקל חומצה-בסיס, מפתח פתרונות בופר או מנתח אינטראקציות בין תרופות, הידיעה על ערך ה-pKa של תרכובת היא קריטית להבנת ההתנהגות הכימית שלה. המחשבון הידידותי למשתמש שלנו מספק ערכי pKa מדויקים עבור מגוון רחב של תרכובות נפוצות, מחומצות אנורגניות פשוטות כמו HCl ועד מולקולות אורגניות מורכבות.
pKa הוא הלוגריתם השלילי (בסיס 10) של קבוע הדיסוציאציה החומצית (Ka). מתמטית, הוא מבוטא כך:
קבוע הדיסוציאציה החומצית (Ka) מייצג את קבוע השווי המשקל עבור תגובת הדיסוציאציה של חומצה במים:
כאשר HA היא החומצה, A⁻ היא הבסיס הקוניגטיבי שלה, ו-H₃O⁺ הוא יון ההידרוניום.
ערך ה-Ka מחושב כך:
כאשר [A⁻], [H₃O⁺] ו-[HA] מייצגים את הריכוזים המולריים של המינים בהתאמה בשווי המשקל.
סולם ה-pKa בדרך כלל נע בין -10 ל-50, כאשר ערכים נמוכים מצביעים על חומצות חזקות יותר:
ערך ה-pKa שווה ל-pH שבו בדיוק חצי מהמולקולות החומציות מנותקות. זהו נקודה קריטית עבור פתרונות בופר ורבים מתהליכים ביוכימיים.
המחשבון שלנו לעוצמת חומצה pKa מיועד להיות אינטואיטיבי ופשוט. עקוב אחר הצעדים הפשוטים הבאים כדי לקבוע את ערך ה-pKa של התרכובת שלך:
המחשבון מספק:
עבור חומצות פוליפרוטיות (אלו עם מספר פרוטונים ניתנים לדיסוציאציה), המחשבון בדרך כלל מציג את קבוע הדיסוציאציה הראשון (pKa₁). לדוגמה, חומצה פוספורית (H₃PO₄) יש שלושה ערכי pKa (2.12, 7.21, ו-12.67), אך המחשבון יציג 2.12 כערך הראשי.
ערכי pKa יש יישומים רבים ברחבי הכימיה, ביוכימיה, פרמקולוגיה ומדעי הסביבה:
אחד היישומים הנפוצים ביותר של pKa הוא בהכנת פתרונות בופר. פתרון בופר מתנגד לשינויים ב-pH כאשר מוסיפים כמויות קטנות של חומצה או בסיס. הבופרים היעילים ביותר נוצרים באמצעות חומצות חלשות ובסיסים קוניגטיביים, כאשר ה-pKa של החומצה קרוב ל-pH הרצוי של הבופר.
דוגמה: כדי ליצור בופר ב-pH 4.7, חומצה אצטית (pKa = 4.76) וסודיום אצטט יהיו בחירה מצוינת.
ערכי pKa הם קריטיים להבנת מבנה ותפקוד חלבונים:
דוגמה: היסטידין יש pKa סביב 6.0, מה שהופך אותו לחיישן pH מצוין בחלבונים שכן הוא יכול להיות מנותק או לא מנותק ב-pH פיזיולוגי.
ערכי pKa משפיעים באופן משמעותי על התנהגות התרופות בגוף:
דוגמה: אספירין (חומצה אצטילסליצילית) יש pKa של 3.5. בסביבה החומצית של הקיבה (pH 1-2), היא נשארת בעיקר לא מייננת ויכולה להיספג דרך דופן הקיבה. בדם הבסיסי יותר (pH 7.4), היא הופכת למייננת, משפיעה על הפצתה ופעילותה.
ערכי pKa עוזרים לחזות:
דוגמה: ה-pKa של גז מימן גופריתי (H₂S, pKa = 7.0) עוזר לחזות את רעילותו בסביבות מימיות ברמות pH שונות.
ערכי pKa חיוניים עבור:
דוגמה: כאשר מבצעים טיטרציה חומצה-בסיס, יש לבחור אינדיקטור עם pKa קרוב לנקודת השוויון עבור התוצאות המדויקות ביותר.
בעוד pKa הוא המדד הנפוץ ביותר לעוצמת חומצה, ישנם פרמטרים חלופיים המיועדים בהקשרים ספציפיים:
pKb (קבוע דיסוציאציה בסיסית): מודד את עוצמת הבסיס. קשור ל-pKa על ידי המשוואה pKa + pKb = 14 (במים ב-25°C).
פונקציית חומציות הממט (H₀): משמשת עבור חומצות חזקות מאוד כאשר סולם ה-pH אינו מספיק.
תיאוריה HSAB (חומצה-בסיס קשה-רכה): מסווגת חומצות ובסיסים כ"חזקים" או "רכים" על סמך פולריזציה ולא רק על תרומת פרוטון.
חומציות לואיס: מודדת את היכולת לקבל זוג אלקטרונים במקום לתרום פרוטון.
הפיתוח של מושג ה-pKa קשור קשר הדוק להתפתחות תיאוריה חומצה-בסיס בכימיה:
ההבנה של חומצות ובסיסים החלה עם עבודתו של אנטואן לבואזיה בסוף המאה ה-18, שהציע כי חומצות מכילות חמצן (מה שהיה שגוי). בשנת 1884, סוונטה ארניוס הגדר חומצות כחומרים המפיקים יוני מימן (H⁺) במים ובסיסים כחומרים המפיקים יוני הידרוקסיד (OH⁻).
בשנת 1923, יוהנס ברונשטד ותומס לוארי הציעו באופן עצמאי הגדרה כללית יותר של חומצות ובסיסים. הם הגדרו חומצה כתרומת פרוטון ובסיס כקבלת פרוטון. תיאוריה זו אפשרה גישה כמותית יותר לעוצמת החומצה דרך קבוע הדיסוציאציה החומצית (Ka).
נוטציית ה-pKa הוצגה כדי לפשט את הטיפול בערכי Ka, אשר לעיתים קרובות נעים בין סדרי גודל רבים. על ידי לקיחת הלוגריתם השלילי, המדענים יצרו סולם נוח יותר דומה לסולם ה-pH.
היום, כימיה חישובית מאפשרת חיזוי ערכי pKa על סמך מבנה מולקולרי, וטכניקות ניסיוניות מתקדמות מאפשרות מדידות מדויקות אפילו עבור מולקולות מורכבות. מסדי נתונים של ערכי pKa ממשיכים להתרחב, משפרים את הבנתנו על כימיה חומצה-בסיס ברחבי הדיסציפלינות.
בעוד שהמחשבון שלנו מספק ערכי pKa מבסיס נתונים, ייתכן שתצטרך לפעמים לחשב pKa מנתונים ניסיוניים או להעריך אותו באמצעות שיטות שונות.
אם אתה מודד את ה-pH של פתרון ויודע את הריכוזים של חומצה ובסיס קוניגטיבי, תוכל לחשב את ה-pKa:
זה נגזר מהמשוואה של הנדרסון-האסטלבלך.
מספר גישות חישוביות יכולות להעריך ערכי pKa:
הנה דוגמאות קוד לחישוב pKa בשפות תכנות שונות:
1# פייתון: חישוב pKa מנתוני pH וריכוזים
2import math
3
4def calculate_pka_from_experiment(pH, acid_concentration, conjugate_base_concentration):
5 """
6 חישוב pKa מנתוני pH ניסיוניים וריכוזים
7
8 Args:
9 pH: pH שנמדד של הפתרון
10 acid_concentration: ריכוז החומצה הלא מנותקת [HA] במול/ליטר
11 conjugate_base_concentration: ריכוז הבסיס הקוניגטיבי [A-] במול/ליטר
12
13 Returns:
14 ערך pKa
15 """
16 if acid_concentration <= 0 or conjugate_base_concentration <= 0:
17 raise ValueError("ריכוזים חייבים להיות חיוביים")
18
19 ratio = conjugate_base_concentration / acid_concentration
20 pKa = pH - math.log10(ratio)
21
22 return pKa
23
24# דוגמת שימוש
25pH = 4.5
26acid_conc = 0.05 # מול/ליטר
27base_conc = 0.03 # מול/ליטר
28
29pKa = calculate_pka_from_experiment(pH, acid_conc, base_conc)
30print(f"ה-pKa המחושב: {pKa:.2f}")
31
1// ג'אווהסקריפט: חישוב pH מנתוני pKa וריכוזים (הנדרסון-האסטלבלך)
2function calculatePH(pKa, acidConcentration, baseConcentration) {
3 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4 throw new Error("ריכוזים חייבים להיות חיוביים");
5 }
6
7 const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
8 const pH = pKa + Math.log10(ratio);
9
10 return pH;
11}
12
13// דוגמת שימוש
14const pKa = 4.76; // חומצה אצטית
15const acidConc = 0.1; // מול/ליטר
16const baseConc = 0.2; // מול/ליטר
17
18const pH = calculatePH(pKa, acidConc, baseConc);
19console.log(`ה-pH המחושב: ${pH.toFixed(2)}`);
20
1# R: פונקציה לחישוב קיבולת בופר מנתוני pKa
2calculate_buffer_capacity <- function(pKa, total_concentration, pH) {
3 # חישוב קיבולת בופר (β) במול/ליטר
4 # β = 2.303 * C * Ka * [H+] / (Ka + [H+])^2
5
6 Ka <- 10^(-pKa)
7 H_conc <- 10^(-pH)
8
9 buffer_capacity <- 2.303 * total_concentration * Ka * H_conc / (Ka + H_conc)^2
10
11 return(buffer_capacity)
12}
13
14# דוגמת שימוש
15pKa <- 7.21 # קבוע הדיסוציאציה השני של חומצה פוספורית
16total_conc <- 0.1 # מול/ליטר
17pH <- 7.0
18
19buffer_cap <- calculate_buffer_capacity(pKa, total_conc, pH)
20cat(sprintf("קיבולת הבופר: %.4f מול/ליטר\n", buffer_cap))
21
1public class PKaCalculator {
2 /**
3 * חישוב השבר של חומצה מנותקת ב-pH נתון
4 *
5 * @param pKa ערך ה-pKa של החומצה
6 * @param pH ה-pH של הפתרון
7 * @return השבר של החומצה במצב מנותק (0 עד 1)
8 */
9 public static double calculateDeprotonatedFraction(double pKa, double pH) {
10 // הנדרסון-האסטלבלך מחדש כדי לתת שבר
11 // שבר = 1 / (1 + 10^(pKa - pH))
12
13 double exponent = pKa - pH;
14 double denominator = 1 + Math.pow(10, exponent);
15
16 return 1 / denominator;
17 }
18
19 public static void main(String[] args) {
20 double pKa = 4.76; // חומצה אצטית
21 double pH = 5.0;
22
23 double fraction = calculateDeprotonatedFraction(pKa, pH);
24 System.out.printf("ב-pH %.1f, %.1f%% מהחומצה מנותקת%n",
25 pH, fraction * 100);
26 }
27}
28
1' נוסחת Excel לחישוב pH מנתוני pKa וריכוזים
2' בתא A1: ערך pKa (למשל, 4.76 עבור חומצה אצטית)
3' בתא A2: ריכוז החומצה במול/ליטר (למשל, 0.1)
4' בתא A3: ריכוז הבסיס הקוניגטיבי במול/ליטר (למשל, 0.05)
5' בתא A4, הזן את הנוסחה:
6=A1+LOG10(A3/A2)
7
8' נוסחת Excel לחישוב השבר של חומצה מנותקת
9' בתא B1: ערך pKa
10' בתא B2: pH של הפתרון
11' בתא B3, הזן את הנוסחה:
12=1/(1+10^(B1-B2))
13
pKa הוא תכונה של חומצה ספציפית ומייצג את ה-pH שבו בדיוק חצי מהמולקולות החומציות מנותקות. זהו קבוע עבור חומצה נתונה בטמפרטורה ספציפית. pH מודד את החומציות או הבסיסיות של פתרון ומייצג את הלוגריתם השלילי של ריכוז יוני המימן. בעוד ש-pKa הוא תכונה של תרכובת, pH הוא תכונה של פתרון.
טמפרטורה יכולה להשפיע משמעותית על ערכי pKa. בדרך כלל, כאשר הטמפרטורה עולה, ה-pKa של רוב החומצות יורד מעט (בערך 0.01-0.03 יחידות pKa לכל מעלת צלזיוס). זה קורה מכיוון שהדיסוציאציה של חומצות היא בדרך כלל אנדותרמית, כך שטמפרטורות גבוהות מקדמות דיסוציאציה לפי עקרון לה שאטלי. המחשבון שלנו מספק ערכי pKa בטמפרטורה הסטנדרטית של 25°C (298.15 K).
כן, תרכובות עם מספר אטומי מימן ניתנים לדיסוציאציה (חומצות פוליפרוטיות) יש מספר ערכי pKa. לדוגמה, חומצה פוספורית (H₃PO₄) יש שלושה ערכי pKa: pKa₁ = 2.12, pKa₂ = 7.21, ו-pKa₃ = 12.67. כל ערך מתייחס לאובדן פרוטון בסדר עולה. בדרך כלל, קשה יותר להוציא פרוטונים, כך ש-pKa₁ < pKa₂ < pKa₃.
pKa ועוצמת חומצה קשורים הפוך: ככל שערך ה-pKa נמוך יותר, כך החומצה חזקה יותר. זה קורה כי pKa נמוך מצביע על Ka גבוה (קבוע דיסוציאציה חומצית), כלומר החומצה נוטה יותר לתרום פרוטונים בתמיסה. לדוגמה, חומצה כלורית (HCl) עם pKa של -6.3 היא חומצה הרבה יותר חזקה מאשר חומצה אצטית (CH₃COOH) עם pKa של 4.76.
המחשבון שלנו כולל רבות מהתרכובות הנפוצות, אך היקום הכימי הוא רחב. אם התרכובת שלך לא נמצאת, זה יכול להיות בגלל:
ה-pH של פתרון בופר יכול להיות מחושב באמצעות משוואת הנדרסון-האסטלבלך:
כאשר [בסיס] הוא ריכוז הבסיס הקוניגטיבי ו-[חומצה] הוא ריכוז החומצה החלשה. משוואה זו פועלת בצורה הטובה ביותר כאשר הריכוזים נמצאים בטווח של כ-factor 10 זה מזה.
פתרון בופר יש קיבולת בופר מקסימלית (עמידות לשינוי pH) כאשר ה-pH שווה ל-pKa של החומצה החלשה. בנקודה זו, הריכוזים של החומצה ובסיסה הקוניגטיבי שווים, והמערכת יכולה לנטרל בצורה הטובה ביותר חומצה או בסיס נוספים. טווח הבופר היעיל נחשב בדרך כלל להיות pKa ± 1 יחידת pH.
כן, ערכי pKa יכולים להיות שליליים או גבוהים מ-14. סולם ה-pKa אינו מוגבל לטווח 0-14 של סולם ה-pH. חומצות חזקות מאוד כמו HCl יש ערכי pKa שליליים (בערך -6.3), בעוד חומצות חלשות מאוד כמו מתאן (CH₄) יש ערכי pKa מעל 40. סולם ה-pH מוגבל על ידי תכונות המים, אך סולם ה-pKa אינו מוגבל תיאורטית.
כדי ליצור בופר יעיל, בחר חומצה חלשה עם pKa קרוב ל-pH הרצוי שלך. לדוגמה:
זה מבטיח שהבופר שלך יהיה בעל קיבולת טובה להתנגד לשינויים ב-pH.
ערכי pKa נמדדים בדרך כלל במים, אך הם יכולים להשתנות драмטית בממסים שונים. בדרך כלל:
לדוגמה, לחומצה אצטית יש pKa של 4.76 במים אך בערך 12.3 ב-DMSO.
Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic Chemistry (מהדורה 2). Oxford University Press.
Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (מהדורה 9). W. H. Freeman and Company.
Po, H. N., & Senozan, N. M. (2001). The Henderson-Hasselbalch Equation: Its History and Limitations. Journal of Chemical Education, 78(11), 1499-1503. https://doi.org/10.1021/ed078p1499
Bordwell, F. G. (1988). Equilibrium acidities in dimethyl sulfoxide solution. Accounts of Chemical Research, 21(12), 456-463. https://doi.org/10.1021/ar00156a004
Lide, D. R. (Ed.). (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (מהדורה 86). CRC Press.
Brown, T. E., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., & Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (מהדורה 14). Pearson.
National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Database. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
Perrin, D. D., Dempsey, B., & Serjeant, E. P. (1981). pKa Prediction for Organic Acids and Bases. Chapman and Hall.
נסה את מחשבון ערך ה-pKa שלנו עכשיו כדי למצוא במהירות את קבוע הדיסוציאציה החומצית של התרכובת שלך ולהבין טוב יותר את ההתנהגות הכימית שלה בתמיסה!
גלה עוד כלים שעשויים להיות שימושיים עבור זרימת העבודה שלך