pKa-calculator - Bereken zuurgraaddissociatieconstanten direct

pKa is een getal dat chemici gebruiken om aan te geven hoe sterk een zuur in water is. Het is de negatieve logaritme met grondtal 10 van de zuurdissociatieconstante, Ka, en geeft aan hoe gemakkelijk een molecuul een waterstofion (H⁺) afgeeft. Lagere pKa-waarden betekenen sterkere zuren; hogere waarden betekenen zwakkere zuren. Deze calculator zoekt de pKa-waarde van een chemische formule, zoals CH3COOH of HCl, op in een referentietabel met veelvoorkomende zuren en basen.

Wat is pKa?

Een zuur is een stof die een waterstofion, H⁺, kan afgeven wanneer het in water wordt opgelost. Sommige zuren geven dat ion gemakkelijk af. Andere houden het stevig vast. pKa is het getal dat dit verschil aangeeft.

Een lage pKa, waaronder negatieve getallen, betekent dat het zuur zijn proton gemakkelijk afgeeft en een sterk zuur is. Een hoge pKa betekent dat het zuur zijn proton vasthoudt en een zwak zuur is.

pKa-formule

Wanneer een zuur (HA) in water oplost, reageert het in een omkeerbare reactie:

HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺

HA is het zuur. A⁻ is de geconjugeerde base ervan, het deel dat overblijft nadat het zuur een proton heeft verloren. H₃O⁺ is het hydroniumion, een watermolecuul dat het vrijgekomen proton heeft opgenomen.

Bij evenwicht bepalen de concentraties van deze drie bestanddelen de zuur-dissociatieconstante, Ka:

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

waarbij $K_a$ de zuurdissociatieconstante is en de vierkante haken de concentratie van elke chemische soort bij evenwicht aangeven.

pKa is de negatieve logaritme met grondtal 10 van Ka:

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

Chemici gebruiken pKa in plaats van Ka, omdat Ka-waarden extreem groot of extreem klein kunnen zijn en vele machten van tien kunnen omvatten. Door de logaritme te nemen, worden die getallen omgezet in een compacte schaal die gemakkelijker af te lezen en te vergelijken is, om dezelfde reden dat de pH-schaal wordt gebruikt in plaats van de onbewerkte waterstofionconcentratie. Een grotere Ka betekent dat een groter deel van het zuur uiteenvalt in ionen, dus een grotere Ka komt altijd overeen met een kleinere pKa. Daarom betekent een lagere pKa een sterker zuur.

Hoe bereken je pKa?

De database achter deze calculator bevat pKa-waarden die rechtstreeks in experimenten zijn gemeten. pKa kan echter ook worden berekend uit de pH van een oplossing als de concentraties van het zuur en zijn geconjugeerde base bekend zijn, door de Henderson-Hasselbalchvergelijking te herschrijven:

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

Deze methode is het nauwkeurigst wanneer de pH van de oplossing dicht bij de pKa zelf ligt, omdat kleine meetfouten daar het minst effect hebben op het resultaat.

Uitgewerkt voorbeeld

Azijnzuur (CH3COOH), het zuur in azijn, heeft een pKa van 4,76.

Om de Ka te vinden, wordt de formule omgekeerd:

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

Om de pH van een oplossing te vinden waarin het acetaation (A⁻) 1,7 keer zo geconcentreerd is als het ongedissocieerde zuur (HA), pas je de Henderson-Hasselbalchvergelijking in omgekeerde richting toe:

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

pKa en zuursterkte

pKa-waarden lopen gewoonlijk van ongeveer −10 voor de sterkste zuren tot 50 voor de zwakste. De meeste zuren waarmee in een school- of onderzoekslaboratorium wordt gewerkt, hebben een pKa tussen −10 en 15. De onderstaande tabel geeft enkele voorbeelden.

Een bruikbare vuistregel is dat de pKa van een zuur gelijk is aan de pH waarbij precies de helft van zijn moleculen het proton heeft afgegeven. Dat punt is van belang voor bufferoplossingen, die hieronder worden beschreven.

Waarom pKa belangrijk is

Een bufferoplossing weerstaat veranderingen in pH wanneer kleine hoeveelheden zuur of base worden toegevoegd. Een buffer werkt het best wanneer zijn pKa binnen ongeveer één pH-eenheid van de gewenste pH ligt, omdat het mengsel van zuur en geconjugeerde base daar de meeste toegevoegde zuren of basen kan opnemen. Een fosfaatbuffer rond pH 7 en een acetaatbuffer rond pH 4,76 berusten beide op deze regel.

In het lichaam beïnvloedt pKa hoe geneesmiddelen celmembranen passeren. Alleen de niet-geïoniseerde vorm van een molecuul, de vorm zonder elektrische lading, passeert het vetachtige celmembraan gemakkelijk. Aspirine, een zwak zuur, blijft in de zure maag (pH 1 tot 2) grotendeels niet-geïoniseerd en wordt daar opgenomen. Zodra het de vrijwel neutrale bloedbaan bereikt, verandert een groter deel ervan in de geïoniseerde vorm.

pKa beïnvloedt ook hoe eiwitten zich opvouwen en hoe enzymen werken. Zijgroepen van aminozuren nemen protonen op of staan ze af afhankelijk van de pH van hun omgeving, waardoor hun elektrische lading en gedrag veranderen.

Sommige zuren hebben meer dan één pKa, omdat ze meer dan één proton kunnen verliezen. Fosforzuur (H3PO4) kan er drie verliezen, één voor één. Elke volgende pKa is hoger dan de vorige, omdat er meer energie nodig is om een proton los te maken van een molecuul dat al negatief geladen is. Deze calculator geeft voor zulke zuren de eerste, laagste pKa.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen pKa en pH?

pKa is een vaste eigenschap van een specifiek zuur. pH beschrijft de zuurgraad van een werkelijke oplossing en verandert telkens wanneer er zuur of base aan wordt toegevoegd. Azijnzuur heeft altijd een pKa van 4,76, maar een oplossing met azijnzuur kan vrijwel elke pH hebben, afhankelijk van hoeveel ervan is opgelost en wat er verder is gemengd.

Kan pKa negatief zijn of hoger dan 14?

Ja. De pH-schaal in water loopt ruwweg van 0 tot 14, maar voor pKa bestaat geen dergelijke grens. Sterke zuren zoals zoutzuur (pKa −6,3) hebben negatieve waarden, en zeer zwakke zuren zoals ethaan (pKa 50) hebben zeer hoge waarden.

Waarom hebben sommige zuren meer dan één pKa-waarde?

Een zuur dat meer dan één waterstofion kan afstaan, staat die ionen één voor één af, en elke stap heeft zijn eigen evenwicht en pKa. Fosforzuur heeft drie pKa-waarden omdat het achtereenvolgens drie protonen kan verliezen, waarbij elk proton moeilijker te verwijderen is dan het vorige.

Welke invloed heeft temperatuur op pKa?

De meeste pKa-waarden verschuiven enigszins met de temperatuur, omdat zuurdissociatie meestal een endotherme reactie is, wat betekent dat er warmte wordt opgenomen. Door een oplossing op te warmen, wordt meer dissociatie bevorderd, waardoor Ka stijgt en pKa een kleine hoeveelheid daalt. Referentietabellen, waaronder de tabel achter deze calculator, vermelden normaal gesproken één pKa-waarde voor standaardomstandigheden.

Waarom wordt een verbinding niet in de calculator weergegeven?

De calculator vergelijkt formules met een vaste lijst van veelvoorkomende zuren en basen. Hij verwacht platte-tekstnotatie, zoals H2SO4 in plaats van H₂SO₄, met de elementen in de standaardvolgorde. Als een formule correct wordt ingevoerd maar nog steeds geen resultaat oplevert, valt de verbinding waarschijnlijk buiten deze referentielijst. Een chemische database zoals PubChem bevat mogelijk wel een waarde.

Hoe wordt pKa gebruikt om een buffer te kiezen?

Een buffer werkt het best binnen ongeveer één pH-eenheid van de pKa van zijn zuur. Om een oplossing rond pH 7 te houden, zou een chemicus bijvoorbeeld een zuur kiezen met een pKa dicht bij 7, omdat het zuur en zijn geconjugeerde base daar in vergelijkbare hoeveelheden aanwezig zijn en de meeste toegevoegde zuren of basen kunnen neutraliseren.