Kalkulator Nilai pKa

Pengenalan

Kalkulator nilai pKa adalah alat penting bagi ahli kimia, biokimia, ahli farmakologi, dan pelajar yang bekerja dengan asid dan basa. pKa (konstanta disosiasi asid) adalah sifat asas yang mengukur kekuatan asid dalam larutan dengan mengukur kecenderungannya untuk menyumbangkan proton (H⁺). Kalkulator ini membolehkan anda dengan cepat menentukan nilai pKa sebatian kimia dengan hanya memasukkan formula kimianya, membantu anda memahami keasidan, meramalkan tingkah lakunya dalam larutan, dan merancang eksperimen dengan sewajarnya.

Sama ada anda sedang mempelajari keseimbangan asid-basa, mengembangkan larutan penampan, atau menganalisis interaksi ubat, mengetahui nilai pKa sebatian adalah penting untuk memahami tingkah laku kimianya. Kalkulator mesra pengguna kami memberikan nilai pKa yang tepat untuk pelbagai sebatian biasa, dari asid anorganik yang sederhana seperti HCl hingga molekul organik yang kompleks.

Apa itu pKa?

pKa adalah logaritma negatif (basis 10) dari konstanta disosiasi asid (Ka). Secara matematik, ia dinyatakan sebagai:

$\text{pKa} = -\log_{10}(\text{Ka})$

Konstanta disosiasi asid (Ka) mewakili konstanta keseimbangan untuk reaksi disosiasi asid dalam air:

$\text{HA} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{A}^- + \text{H}_3\text{O}^+$

Di mana HA adalah asid, A⁻ adalah basa konjugatnya, dan H₃O⁺ adalah ion hidronium.

Nilai Ka dikira sebagai:

$\text{Ka} = \frac{[\text{A}^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[\text{HA}]}$

Di mana [A⁻], [H₃O⁺], dan [HA] mewakili kepekatan molar spesies yang bersesuaian pada keseimbangan.

Tafsiran Nilai pKa

Skala pKa biasanya berkisar antara -10 hingga 50, dengan nilai yang lebih rendah menunjukkan asid yang lebih kuat:

• Asid kuat: pKa < 0 (contohnya, HCl dengan pKa = -6.3)
• Asid sederhana: pKa antara 0 dan 4 (contohnya, H₃PO₄ dengan pKa = 2.12)
• Asid lemah: pKa antara 4 dan 10 (contohnya, CH₃COOH dengan pKa = 4.76)
• Asid sangat lemah: pKa > 10 (contohnya, H₂O dengan pKa = 14.0)

Nilai pKa sama dengan pH di mana tepat separuh daripada molekul asid terdisosiasi. Ini adalah titik kritikal untuk larutan penampan dan banyak proses biokimia.

Cara Menggunakan Kalkulator pKa

Kalkulator pKa kami direka untuk menjadi intuitif dan mudah digunakan. Ikuti langkah-langkah mudah ini untuk menentukan nilai pKa sebatian anda:

1. Masukkan formula kimia dalam medan input (contohnya, CH₃COOH untuk asid asetat)
2. Kalkulator akan secara automatik mencari dalam pangkalan data kami untuk sebatian tersebut
3. Jika dijumpai, nilai pKa dan nama sebatian akan dipaparkan
4. Untuk sebatian dengan pelbagai nilai pKa (asid poliprotik), nilai pKa pertama atau utama akan ditunjukkan

Petua untuk Menggunakan Kalkulator

• Gunakan notasi kimia standard: Masukkan formula menggunakan notasi kimia standard (contohnya, H2SO4, bukan H₂SO₄)
• Periksa cadangan: Semasa anda menaip, kalkulator mungkin mencadangkan sebatian yang sepadan
• Salin keputusan: Gunakan butang salin untuk memindahkan nilai pKa dengan mudah ke nota atau laporan anda
• Sahkan sebatian yang tidak diketahui: Jika sebatian anda tidak dijumpai, cuba cari dalam literatur kimia

Memahami Keputusan

Kalkulator memberikan:

1. nilai pKa: Logaritma negatif dari konstanta disosiasi asid
2. nama sebatian: Nama umum atau nama IUPAC sebatian yang dimasukkan
3. Posisi pada skala pH: Representasi visual di mana pKa jatuh pada skala pH

Untuk asid poliprotik (yang mempunyai pelbagai proton yang boleh disosiasikan), kalkulator biasanya menunjukkan nilai disosiasi pertama (pKa₁). Contohnya, asid fosforik (H₃PO₄) mempunyai tiga nilai pKa (2.12, 7.21, dan 12.67), tetapi kalkulator akan memaparkan 2.12 sebagai nilai utama.

Aplikasi Nilai pKa

Nilai pKa mempunyai pelbagai aplikasi di seluruh kimia, biokimia, farmakologi, dan sains alam sekitar:

1. Larutan Penampan

Salah satu aplikasi paling umum bagi pKa adalah dalam penyediaan larutan penampan. Larutan penampan menentang perubahan pH apabila sejumlah kecil asid atau basa ditambahkan. Larutan penampan yang paling berkesan dibuat menggunakan asid lemah dan basa konjugatnya, di mana pKa asid hampir dengan pH yang diingini bagi penampan.

Contoh: Untuk mencipta penampan pada pH 4.7, asid asetat (pKa = 4.76) dan natrium asetat adalah pilihan yang sangat baik.

2. Biokimia dan Struktur Protein

Nilai pKa adalah penting dalam memahami struktur dan fungsi protein:

• Nilai pKa bagi rantai sisi asid amino menentukan cas mereka pada pH fisiologi
• Ini mempengaruhi lipatan protein, aktiviti enzim, dan interaksi protein-protein
• Perubahan dalam persekitaran setempat boleh mengubah nilai pKa, mempengaruhi fungsi biologi

Contoh: Histidin mempunyai pKa sekitar 6.0, menjadikannya sensor pH yang sangat baik dalam protein kerana ia boleh sama ada protonasi atau deprotonasi pada pH fisiologi.

3. Pembangunan Ubat dan Farmakokinetik

Nilai pKa mempunyai impak yang signifikan terhadap tingkah laku ubat dalam badan:

• Penyerapan: pKa mempengaruhi sama ada ubat terionisasi atau tidak terionisasi pada pelbagai tahap pH dalam badan, mempengaruhi kemampuannya untuk melintasi membran sel
• Pengagihan: Keadaan ionisasi mempengaruhi bagaimana ubat mengikat kepada protein plasma dan mengagih ke seluruh badan
• Pembuangan: pKa mempengaruhi kadar pembersihan renal melalui mekanisme perangkap ion

Contoh: Aspirin (asid asetilsalisilat) mempunyai pKa 3.5. Dalam persekitaran asid perut (pH 1-2), ia kekal sebahagian besar tidak terionisasi dan boleh diserap melalui lapisan perut. Dalam aliran darah yang lebih asas (pH 7.4), ia menjadi terionisasi, mempengaruhi pengagihan dan aktivitinya.

4. Kimia Alam Sekitar

Nilai pKa membantu meramalkan:

• Tingkah laku pencemar dalam persekitaran akuatik
• Mobiliti racun perosak dalam tanah
• Kebolehdapatan logam berat

Contoh: pKa hidrogen sulfida (H₂S, pKa = 7.0) membantu meramalkan toksisitasnya dalam persekitaran akuatik pada pelbagai tahap pH.

5. Kimia Analitik

Nilai pKa adalah penting untuk:

• Memilih penunjuk yang sesuai untuk titrasi
• Mengoptimumkan syarat pemisahan dalam kromatografi
• Membangunkan prosedur pengekstrakan

Contoh: Semasa melakukan titrasi asid-basa, penunjuk harus dipilih dengan pKa yang dekat dengan pH titik ekivalen untuk hasil yang paling tepat.

Alternatif kepada pKa

Walaupun pKa adalah ukuran kekuatan asid yang paling umum, terdapat parameter alternatif yang digunakan dalam konteks tertentu:

1. pKb (Konstanta Disosiasi Basa): Mengukur kekuatan suatu basa. Berkaitan dengan pKa melalui persamaan pKa + pKb = 14 (dalam air pada 25°C).

2. Fungsi Keasidan Hammett (H₀): Digunakan untuk asid yang sangat kuat di mana skala pH tidak memadai.

3. Teori HSAB (Asid-Basa Keras-Lembut): Mengklasifikasikan asid dan basa sebagai "keras" atau "lembut" berdasarkan polarizabilitinya dan bukan hanya sumbangan proton.

4. Keasidan Lewis: Mengukur kemampuan untuk menerima pasangan elektron daripada hanya menyumbangkan proton.

Sejarah Konsep pKa

Perkembangan konsep pKa berkait rapat dengan evolusi teori asid-basa dalam kimia:

Teori Asid-Basa Awal

Pemahaman tentang asid dan basa bermula dengan kerja Antoine Lavoisier pada akhir abad ke-18, yang mencadangkan bahawa asid mengandungi oksigen (yang tidak betul). Pada tahun 1884, Svante Arrhenius mendefinisikan asid sebagai bahan yang menghasilkan ion hidrogen (H⁺) dalam air dan basa sebagai bahan yang menghasilkan ion hidroksida (OH⁻).

Teori Brønsted-Lowry

Pada tahun 1923, Johannes Brønsted dan Thomas Lowry secara tidak langsung mencadangkan definisi yang lebih umum tentang asid dan basa. Mereka mendefinisikan asid sebagai penderma proton dan basa sebagai penerima proton. Teori ini membenarkan pendekatan yang lebih kuantitatif terhadap kekuatan asid melalui konstanta disosiasi asid (Ka).

Pengenalan Skala pKa

Notasi pKa diperkenalkan untuk memudahkan pengendalian nilai Ka, yang sering merangkumi banyak urutan magnitud. Dengan mengambil logaritma negatif, para saintis mencipta skala yang lebih mudah diurus yang serupa dengan skala pH.

Penyumbang Utama

• Johannes Brønsted (1879-1947): Ahli kimia fizik Denmark yang mengembangkan teori penderma-penerima proton asid dan basa
• Thomas Lowry (1874-1936): Ahli kimia Inggeris yang secara tidak langsung mencadangkan teori yang sama
• Gilbert Lewis (1875-1946): Ahli kimia Amerika yang memperluas teori asid-basa melampaui pemindahan proton untuk merangkumi perkongsian pasangan elektron
• Louis Hammett (1894-1987): Mengembangkan hubungan tenaga bebas linear yang mengaitkan struktur dengan keasidan dan memperkenalkan fungsi keasidan Hammett

Perkembangan Moden

Hari ini, kimia komputasi membolehkan ramalan nilai pKa berdasarkan struktur molekul, dan teknik eksperimen yang maju membolehkan pengukuran tepat walaupun untuk molekul yang kompleks. Pangkalan data nilai pKa terus berkembang, meningkatkan pemahaman kita tentang kimia asid-basa di seluruh disiplin.

Mengira Nilai pKa

Walaupun kalkulator kami menyediakan nilai pKa dari pangkalan data, anda mungkin kadang-kadang perlu mengira pKa dari data eksperimen atau menganggarkannya menggunakan pelbagai kaedah.

Dari Data Eksperimen

Jika anda mengukur pH larutan dan mengetahui kepekatan asid dan basa konjugatnya, anda boleh mengira pKa:

$\text{pKa} = \text{pH} - \log_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$

Ini diperoleh dari persamaan Henderson-Hasselbalch.

Kaedah Komputasi

Beberapa pendekatan komputasi boleh menganggarkan nilai pKa:

1. Pengiraan mekanik kuantum: Menggunakan teori fungsi kepadatan (DFT) untuk mengira perubahan tenaga bebas deprotonasi
2. QSAR (Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktiviti): Menggunakan deskriptor molekul untuk meramalkan pKa
3. Model pembelajaran mesin: Melatih algoritma pada data pKa eksperimen untuk meramalkan nilai bagi sebatian baru

Berikut adalah contoh kod untuk mengira pKa dalam pelbagai bahasa pengaturcaraan:

1# Python: Mengira pKa dari pengukuran pH dan kepekatan
2import math
3
4def calculate_pka_from_experiment(pH, acid_concentration, conjugate_base_concentration):
5    """
6    Mengira pKa dari pengukuran pH eksperimen dan kepekatan
7    
8    Args:
9        pH: pH yang diukur bagi larutan
10        acid_concentration: Kepekatan asid tidak terdisosiasi [HA] dalam mol/L
11        conjugate_base_concentration: Kepekatan basa konjugat [A-] dalam mol/L
12        
13    Returns:
14        nilai pKa
15    """
16    if acid_concentration <= 0 or conjugate_base_concentration <= 0:
17        raise ValueError("Kepekatan mesti positif")
18    
19    ratio = conjugate_base_concentration / acid_concentration
20    pKa = pH - math.log10(ratio)
21    
22    return pKa
23
24# Contoh penggunaan
25pH = 4.5
26acid_conc = 0.05  # mol/L
27base_conc = 0.03  # mol/L
28
29pKa = calculate_pka_from_experiment(pH, acid_conc, base_conc)
30print(f"Nilai pKa yang dikira: {pKa:.2f}")
31

1// JavaScript: Mengira pH dari pKa dan kepekatan (Henderson-Hasselbalch)
2function calculatePH(pKa, acidConcentration, baseConcentration) {
3  if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4    throw new Error("Kepekatan mesti positif");
5  }
6  
7  const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
8  const pH = pKa + Math.log10(ratio);
9  
10  return pH;
11}
12
13// Contoh penggunaan
14const pKa = 4.76;  // Asid asetat
15const acidConc = 0.1;  // mol/L
16const baseConc = 0.2;  // mol/L
17
18const pH = calculatePH(pKa, acidConc, baseConc);
19console.log(`pH yang dikira: ${pH.toFixed(2)}`);
20

1# R: Fungsi untuk mengira kapasiti penampan dari pKa
2calculate_buffer_capacity <- function(pKa, total_concentration, pH) {
3  # Mengira kapasiti penampan (β) dalam mol/L
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# Contoh penggunaan
15pKa <- 7.21  # Konstanta disosiasi kedua asid fosforik
16total_conc <- 0.1  # mol/L
17pH <- 7.0
18
19buffer_cap <- calculate_buffer_capacity(pKa, total_conc, pH)
20cat(sprintf("Kapasiti penampan: %.4f mol/L\n", buffer_cap))
21

1public class PKaCalculator {
2    /**
3     * Mengira pecahan asid yang deprotonasi pada pH tertentu
4     * 
5     * @param pKa Nilai pKa asid
6     * @param pH pH larutan
7     * @return Pecahan asid dalam bentuk deprotonasi (0 hingga 1)
8     */
9    public static double calculateDeprotonatedFraction(double pKa, double pH) {
10        // Henderson-Hasselbalch disusun semula untuk memberikan pecahan
11        // pecahan = 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;  // Asid asetat
21        double pH = 5.0;
22        
23        double fraction = calculateDeprotonatedFraction(pKa, pH);
24        System.out.printf("Pada pH %.1f, %.1f%% asid adalah deprotonasi%n", 
25                          pH, fraction * 100);
26    }
27}
28

1' Formula Excel untuk mengira pH dari pKa dan kepekatan
2' Dalam sel A1: nilai pKa (contohnya, 4.76 untuk asid asetat)
3' Dalam sel A2: Kepekatan asid dalam mol/L (contohnya, 0.1)
4' Dalam sel A3: Kepekatan basa konjugat dalam mol/L (contohnya, 0.05)
5' Dalam sel A4, masukkan formula:
6=A1+LOG10(A3/A2)
7
8' Formula Excel untuk mengira pecahan asid yang deprotonasi
9' Dalam sel B1: nilai pKa
10' Dalam sel B2: pH larutan
11' Dalam sel B3, masukkan formula:
12=1/(1+10^(B1-B2))
13

Soalan Lazim

Apa perbezaan antara pKa dan pH?

pKa adalah sifat bagi asid tertentu dan mewakili pH di mana tepat separuh daripada molekul asid terdisosiasi. Ia adalah tetap untuk asid tertentu pada suhu tertentu. pH mengukur keasidan atau kebasaan suatu larutan dan mewakili logaritma negatif dari kepekatan ion hidrogen. Sementara pKa adalah sifat sebatian, pH adalah sifat larutan.

Bagaimana suhu mempengaruhi nilai pKa?

Suhu boleh mempengaruhi nilai pKa secara signifikan. Secara umum, dengan meningkatnya suhu, pKa kebanyakan asid sedikit menurun (sekitar 0.01-0.03 unit pKa setiap darjah Celsius). Ini berlaku kerana disosiasi asid biasanya bersifat endotermik, jadi suhu yang lebih tinggi memihak kepada disosiasi menurut prinsip Le Chatelier. Kalkulator kami menyediakan nilai pKa pada suhu standard 25°C (298.15 K).

Bolehkah sebatian mempunyai pelbagai nilai pKa?

Ya, sebatian dengan pelbagai atom hidrogen yang boleh diionisasi (asid poliprotik) mempunyai pelbagai nilai pKa. Contohnya, asid fosforik (H₃PO₄) mempunyai tiga nilai pKa: pKa₁ = 2.12, pKa₂ = 7.21, dan pKa₃ = 12.67. Setiap nilai berkaitan dengan kehilangan proton secara berurutan. Secara umum, semakin sukar untuk mengeluarkan proton, jadi pKa₁ < pKa₂ < pKa₃.

Bagaimana pKa berkaitan dengan kekuatan asid?

pKa dan kekuatan asid berkaitan secara terbalik: nilai pKa yang lebih rendah menunjukkan asid yang lebih kuat. Ini kerana pKa yang lebih rendah menunjukkan Ka (konstanta disosiasi asid) yang lebih tinggi, yang bermaksud asid lebih cenderung menyumbangkan proton dalam larutan. Sebagai contoh, asid hidroklorik (HCl) dengan pKa -6.3 adalah asid yang jauh lebih kuat daripada asid asetat (CH₃COOH) dengan pKa 4.76.

Mengapa sebatian saya tidak dijumpai dalam pangkalan data kalkulator?

Kalkulator kami merangkumi banyak sebatian biasa, tetapi alam kimia sangat luas. Jika sebatian anda tidak dijumpai, ia mungkin disebabkan oleh:

• Anda memasukkan notasi formula yang tidak standard
• Sebatian itu tidak biasa atau baru disintesis
• pKa belum ditentukan secara eksperimen
• Anda mungkin perlu mencari dalam literatur saintifik atau pangkalan data khusus untuk nilai tersebut

Bagaimana saya mengira pH larutan penampan menggunakan pKa?

pH larutan penampan boleh dikira menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch:

$\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10}\left(\frac{[\text{base}]}{[\text{acid}]}\right)$

Di mana [base] adalah kepekatan basa konjugat dan [acid] adalah kepekatan asid lemah. Persamaan ini berfungsi dengan baik apabila kepekatan berada dalam faktor 10 antara satu sama lain.

Bagaimana pKa berkaitan dengan kapasiti penampan?

Larutan penampan mempunyai kapasiti penampan maksimum (rintangan terhadap perubahan pH) apabila pH sama dengan pKa asid lemah. Pada titik ini, kepekatan asid dan basa konjugat adalah sama, dan sistem mempunyai kemampuan maksimum untuk menetralkan asid atau basa yang ditambahkan. Julat penampan yang berkesan biasanya dianggap sebagai pKa ± 1 unit pH.

Bolehkah nilai pKa menjadi negatif atau lebih besar daripada 14?

Ya, nilai pKa boleh menjadi negatif atau lebih besar daripada 14. Skala pKa tidak terhad kepada julat 0-14 skala pH. Asid yang sangat kuat seperti HCl mempunyai nilai pKa negatif (sekitar -6.3), sementara asid yang sangat lemah seperti metana (CH₄) mempunyai nilai pKa di atas 40. Skala pH terhad oleh sifat air, tetapi skala pKa tidak mempunyai had teori.

Bagaimana saya memilih penampan yang betul berdasarkan pKa?

Untuk mencipta penampan yang berkesan, pilih asid lemah dengan pKa dalam jarak kira-kira 1 unit dari pH sasaran anda. Sebagai contoh:

• Untuk pH 4.7, gunakan asid asetat/asetat (pKa = 4.76)
• Untuk pH 7.4 (pH fisiologi), gunakan fosfat (pKa₂ = 7.21)
• Untuk pH 9.0, gunakan borat (pKa = 9.24)

Ini memastikan penampan anda akan mempunyai kapasiti yang baik untuk menentang perubahan pH.

Bagaimana pelarut mempengaruhi nilai pKa?

Nilai pKa biasanya diukur dalam air, tetapi ia boleh berubah dengan ketara dalam pelarut yang berbeza. Secara umum:

• Dalam pelarut protik polar (seperti alkohol), nilai pKa sering serupa dengan yang dalam air
• Dalam pelarut aprotik polar (seperti DMSO atau asetronitril), asid biasanya kelihatan lebih lemah (nilai pKa lebih tinggi)
• Dalam pelarut bukan polar, tingkah laku asid-basa boleh berubah sepenuhnya

Sebagai contoh, asid asetat mempunyai pKa 4.76 dalam air tetapi kira-kira 12.3 dalam DMSO.

Rujukan

1. Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Kimia Organik (edisi ke-2). Oxford University Press.

2. Harris, D. C. (2015). Analisis Kimia Kuantitatif (edisi ke-9). W. H. Freeman and Company.

3. Po, H. N., & Senozan, N. M. (2001). Persamaan Henderson-Hasselbalch: Sejarah dan Hadnya. Jurnal Pendidikan Kimia, 78(11), 1499-1503. https://doi.org/10.1021/ed078p1499

4. Bordwell, F. G. (1988). Keasidan Keseimbangan dalam Larutan Dimetil Sulfoksida. Akaun Kimia Pendidikan, 21(12), 456-463. https://doi.org/10.1021/ar00156a004

5. Lide, D. R. (Ed.). (2005). Handbook of Chemistry and Physics (edisi ke-86). CRC Press.

6. Brown, T. E., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., & Stoltzfus, M. W. (2017). Kimia: Sains Pusat (edisi ke-14). Pearson.

7. National Center for Biotechnology Information. Pangkalan Data Kompaun PubChem. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/

8. Perrin, D. D., Dempsey, B., & Serjeant, E. P. (1981). Ramalan pKa untuk Asid dan Basa Organik. Chapman and Hall.

---

Cuba Kalkulator Nilai pKa kami sekarang untuk dengan cepat mencari konstanta disosiasi asid sebatian anda dan memahami tingkah lakunya dalam larutan!