Калькулятор значення pKa

Вступ

Калькулятор значення pKa є важливим інструментом для хіміків, біохіміків, фармакологів та студентів, які працюють з кислотами та основами. pKa (константа дисоціації кислоти) є фундаментальною властивістю, яка кількісно оцінює силу кислоти в розчині, вимірюючи її схильність до віддачі протона (H⁺). Цей калькулятор дозволяє швидко визначити значення pKa хімічного з'єднання, просто ввівши його хімічну формулу, що допомагає зрозуміти його кислотність, передбачити його поведінку в розчині та відповідно спланувати експерименти.

Чи ви вивчаєте рівноваги кислот-основ, розробляєте буферні розчини або аналізуєте взаємодії лікарських засобів, знання значення pKa з'єднання є критично важливим для розуміння його хімічної поведінки. Наш зручний калькулятор надає точні значення pKa для широкого спектра звичайних з'єднань, від простих неорганічних кислот, таких як HCl, до складних органічних молекул.

Що таке pKa?

pKa є негативним логарифмом (основа 10) константи дисоціації кислоти (Ka). Математично це виражається як:

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

Константа дисоціації кислоти (Ka) представляє рівноважну константу для реакції дисоціації кислоти у воді:

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

Де HA є кислотою, A⁻ є її кон'югованою основою, а H₃O⁺ є іоном гідронію.

Значення Ka розраховується як:

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

Де [A⁻], [H₃O⁺] та [HA] представляють молярні концентрації відповідних видів у рівновазі.

Інтерпретація значень pKa

Масштаб pKa зазвичай коливається від -10 до 50, причому нижчі значення вказують на сильніші кислоти:

• Сильні кислоти: pKa < 0 (наприклад, HCl з pKa = -6.3)
• Помірні кислоти: pKa між 0 та 4 (наприклад, H₃PO₄ з pKa = 2.12)
• Слабкі кислоти: pKa між 4 та 10 (наприклад, CH₃COOH з pKa = 4.76)
• Дуже слабкі кислоти: pKa > 10 (наприклад, H₂O з pKa = 14.0)

Значення pKa дорівнює pH, при якому точно половина молекул кислоти дисоційовані. Це критична точка для буферних розчинів та багатьох біохімічних процесів.

Як користуватися калькулятором pKa

Наш калькулятор pKa розроблений так, щоб бути інтуїтивно зрозумілим і простим у використанні. Дотримуйтесь цих простих кроків, щоб визначити значення pKa вашого з'єднання:

1. Введіть хімічну формулу у поле введення (наприклад, CH₃COOH для оцтової кислоти)
2. Калькулятор автоматично пошукає в нашій базі даних з'єднання
3. Якщо знайдено, значення pKa та назва з'єднання будуть відображені
4. Для з'єднань з кількома значеннями pKa (поліпротонні кислоти) відображається перше або основне значення pKa

Поради щодо використання калькулятора

• Використовуйте стандартну хімічну нотацію: Вводьте формули, використовуючи стандартну хімічну нотацію (наприклад, H2SO4, а не H₂SO₄)
• Перевірте пропозиції: Під час введення калькулятор може запропонувати відповідні з'єднання
• Копіюйте результати: Використовуйте кнопку копіювання, щоб легко перенести значення pKa у ваші нотатки або звіти
• Перевірте невідомі з'єднання: Якщо ваше з'єднання не знайдено, спробуйте пошукати його в хімічній літературі

Розуміння результатів

Калькулятор надає:

1. Значення pKa: Негативний логарифм константи дисоціації кислоти
2. Назва з'єднання: Загальна або IUPAC назва введеного з'єднання
3. Позиція на шкалі pH: Візуальне представлення того, де pKa знаходиться на шкалі pH

Для поліпротонних кислот (тих, що мають кілька дисоційованих протонів) калькулятор зазвичай показує першу константу дисоціації (pKa₁). Наприклад, ортофосфорна кислота (H₃PO₄) має три значення pKa (2.12, 7.21 та 12.67), але калькулятор відобразить 2.12 як основне значення.

Застосування значень pKa

Значення pKa мають численні застосування в хімії, біохімії, фармакології та екологічній науці:

1. Буферні розчини

Одним з найбільш поширених застосувань pKa є приготування буферних розчинів. Буферний розчин стримує зміни pH, коли до нього додають невелику кількість кислоти або основи. Найефективніші буфери створюються за допомогою слабких кислот та їх кон'югованих основ, де pKa кислоти близька до бажаного pH буфера.

Приклад: Для створення буфера при pH 4.7, оцтова кислота (pKa = 4.76) та ацетат натрію будуть відмінним вибором.

2. Біохімія та структура білків

Значення pKa є критично важливими для розуміння структури та функції білків:

• Значення pKa бічних ланцюгів амінокислот визначають їх заряд при фізіологічному pH
• Це впливає на складання білків, активність ферментів та взаємодії білок-білок
• Зміни в локальному середовищі можуть змінювати значення pKa, впливаючи на біологічну функцію

Приклад: Гістидин має pKa близько 6.0, що робить його відмінним pH-сенсором у білках, оскільки він може бути як протонованим, так і депротонованим при фізіологічному pH.

3. Розробка лікарських засобів та фармакокінетика

Значення pKa суттєво впливають на поведінку лікарських засобів в організмі:

• Всмоктування: Значення pKa впливає на те, чи буде лікарський засіб іонізованим або неіонізованим при різних рівнях pH в організмі, що вплине на його здатність перетинати клітинні мембрани
• Розподіл: Стан іонізації впливає на те, як лікарські засоби зв'язуються з плазмовими білками та розподіляються в організмі
• Виведення: pKa впливає на швидкість ниркового виведення через механізми іонного затримування

Приклад: Аспірин (ацетилсаліцилова кислота) має pKa 3.5. В кислому середовищі шлунка (pH 1-2) він залишається в основному неіонізованим і може всмоктуватися через шлункову стінку. У більш основному кровотоці (pH 7.4) він стає іонізованим, що впливає на його розподіл та активність.

4. Екологічна хімія

Значення pKa допомагають передбачити:

• Поведінку забруднювачів у водних середовищах
• Мобільність пестицидів у ґрунті
• Біодоступність важких металів

Приклад: Значення pKa сірководню (H₂S, pKa = 7.0) допомагає передбачити його токсичність у водних середовищах при різних рівнях pH.

5. Аналітична хімія

Значення pKa є важливими для:

• Вибору відповідних індикаторів для титрувань
• Оптимізації умов розділення в хроматографії
• Розробки процедур екстракції

Приклад: При виконанні титрування кислота-основа індикатор слід вибрати з pKa, близьким до pH еквівалентної точки для найбільш точних результатів.

Альтернативи pKa

Хоча pKa є найпоширенішим виміром сили кислоти, існують альтернативні параметри, що використовуються в специфічних контекстах:

1. pKb (константа дисоціації основи): Вимірює силу основи. Пов'язана з pKa рівнянням pKa + pKb = 14 (у воді при 25°C).

2. Кислотна функція Хамметта (H₀): Використовується для дуже сильних кислот, де шкала pH є недостатньою.

3. Теорія HSAB (жорсткі- м'які кислота-основа): Класифікує кислоти та основи як "жорсткі" або "м'які" на основі їх поляризованості, а не лише на основі віддачі протонів.

4. Льюїсова кислотність: Вимірює здатність приймати пару електронів, а не віддавати протон.

Історія концепції pKa

Розвиток концепції pKa тісно пов'язаний з еволюцією теорії кислот і основ у хімії:

Ранні теорії кислот і основ

Розуміння кислот і основ почалося з роботи Антуана Лавуазьє в кінці XVIII століття, який запропонував, що кислоти містять кисень (що було неправильно). У 1884 році Свант Енрікс Арреніус визначив кислоти як речовини, які виробляють іони водню (H⁺) у воді, а основи - як речовини, які виробляють гідроксидні іони (OH⁻).

Теорія Бренстеда-Лоурі

У 1923 році Йоганнес Бренстед і Томас Лоурі незалежно запропонували більш загальне визначення кислот і основ. Вони визначили кислоту як донор протонів, а основу як акцептор протонів. Ця теорія дозволила провести більш кількісний підхід до сили кислоти через константу дисоціації кислоти (Ka).

Введення шкали pKa

Позначення pKa було введено для спрощення обробки значень Ka, які часто охоплюють багато порядків величини. Взявши негативний логарифм, вчені створили більш керовану шкалу, подібну до шкали pH.

Ключові внески

• Йоганнес Бренстед (1879-1947): Данський фізичний хімік, який розробив теорію донорів-акцепторів протонів кислот і основ
• Томас Лоурі (1874-1936): Англійський хімік, який незалежно запропонував ту ж теорію
• Гілберт Льюїс (1875-1946): Американський хімік, який розширив теорію кислот і основ за межі передачі протонів, щоб включити спільне використання пар електронів
• Луїс Хамметт (1894-1987): Розробив лінійні залежності вільної енергії, які пов'язували структуру з кислотністю та ввів кислотну функцію Хамметта

Сучасні розробки

Сьогодні обчислювальна хімія дозволяє прогнозувати значення pKa на основі молекулярної структури, а сучасні експериментальні методи забезпечують точні вимірювання навіть для складних молекул. Бази даних значень pKa продовжують розширюватися, покращуючи наше розуміння хімії кислот і основ у різних дисциплінах.

Розрахунок значень pKa

Хоча наш калькулятор надає значення pKa з бази даних, вам іноді може знадобитися розрахувати pKa з експериментальних даних або оцінити його за допомогою різних методів.

З експериментальних даних

Якщо ви вимірюєте pH розчину і знаєте концентрації кислоти та її кон'югованої основи, ви можете розрахувати pKa:

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

Це виведено з рівняння Хендерсона-Гассельбалха.

Обчислювальні методи

Декілька обчислювальних підходів можуть оцінити значення pKa:

1. Квантово-механічні розрахунки: Використання теорії функціоналу густини (DFT) для розрахунку зміни вільної енергії дисоціації
2. QSAR (Кількісні структури-активності): Використання молекулярних дескрипторів для прогнозування pKa
3. Моделі машинного навчання: Навчання алгоритмів на експериментальних даних pKa для прогнозування значень для нових з'єднань

Ось приклади коду для розрахунку pKa на різних мовах програмування:

1# Python: Розрахунок pKa з експериментальних вимірювань
2import math
3
4def calculate_pka_from_experiment(pH, acid_concentration, conjugate_base_concentration):
5    """
6    Розрахувати pKa з експериментального вимірювання pH та концентрацій
7    
8    Аргументи:
9        pH: Виміряний pH розчину
10        acid_concentration: Концентрація недисоційованої кислоти [HA] в молях/л
11        conjugate_base_concentration: Концентрація кон'югованої основи [A-] в молях/л
12        
13    Повертає:
14        Значення pKa
15    """
16    if acid_concentration <= 0 or conjugate_base_concentration <= 0:
17        raise ValueError("Концентрації повинні бути позитивними")
18    
19    ratio = conjugate_base_concentration / acid_concentration
20    pKa = pH - math.log10(ratio)
21    
22    return pKa
23
24# Приклад використання
25pH = 4.5
26acid_conc = 0.05  # мол/л
27base_conc = 0.03  # мол/л
28
29pKa = calculate_pka_from_experiment(pH, acid_conc, base_conc)
30print(f"Розраховане значення pKa: {pKa:.2f}")
31

1// JavaScript: Розрахунок pH з pKa та концентрацій (Хендерсон-Гассельбалх)
2function calculatePH(pKa, acidConcentration, baseConcentration) {
3  if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4    throw new Error("Концентрації повинні бути позитивними");
5  }
6  
7  const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
8  const pH = pKa + Math.log10(ratio);
9  
10  return pH;
11}
12
13// Приклад використання
14const pKa = 4.76;  // Оцтова кислота
15const acidConc = 0.1;  // мол/л
16const baseConc = 0.2;  // мол/л
17
18const pH = calculatePH(pKa, acidConc, baseConc);
19console.log(`Розраховане значення pH: ${pH.toFixed(2)}`);
20

1# R: Функція для розрахунку буферної ємності з pKa
2calculate_buffer_capacity <- function(pKa, total_concentration, pH) {
3  # Розрахунок буферної ємності (β) в молях/л
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# Приклад використання
15pKa <- 7.21  # Другий константа дисоціації ортофосфорної кислоти
16total_conc <- 0.1  # мол/л
17pH <- 7.0
18
19buffer_cap <- calculate_buffer_capacity(pKa, total_conc, pH)
20cat(sprintf("Буферна ємність: %.4f мол/л\n", buffer_cap))
21

1public class PKaCalculator {
2    /**
3     * Розрахунок частки депротонованої кислоти при заданому pH
4     * 
5     * @param pKa Значення pKa кислоти
6     * @param pH pH розчину
7     * @return Частка кислоти в депротонованій формі (0 до 1)
8     */
9    public static double calculateDeprotonatedFraction(double pKa, double pH) {
10        // Хендерсон-Гассельбалх, перетворений для отримання частки
11        // fraction = 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;  // Оцтова кислота
21        double pH = 5.0;
22        
23        double fraction = calculateDeprotonatedFraction(pKa, pH);
24        System.out.printf("При pH %.1f, %.1f%% кислоти депротоновані%n", 
25                          pH, fraction * 100);
26    }
27}
28

1' Excel формула для розрахунку pH з pKa та концентрацій
2' У клітинці A1: значення pKa (наприклад, 4.76 для оцтової кислоти)
3' У клітинці A2: Концентрація кислоти в молях/л (наприклад, 0.1)
4' У клітинці A3: Концентрація кон'югованої основи в молях/л (наприклад, 0.05)
5' У клітинці A4 введіть формулу:
6=A1+LOG10(A3/A2)
7
8' Excel формула для розрахунку частки депротонованої кислоти
9' У клітинці B1: значення pKa
10' У клітинці B2: pH розчину
11' У клітинці B3 введіть формулу:
12=1/(1+10^(B1-B2))
13

Часто задавані питання

Яка різниця між pKa та pH?

pKa є властивістю конкретної кислоти і представляє pH, при якому точно половина молекул кислоти дисоційовані. Це константа для даної кислоти при певній температурі. pH вимірює кислотність або лужність розчину і представляє негативний логарифм концентрації іонів водню. У той час як pKa є властивістю з'єднання, pH є властивістю розчину.

Як температура впливає на значення pKa?

Температура може суттєво впливати на значення pKa. Як правило, з підвищенням температури pKa більшості кислот трохи знижується (приблизно на 0.01-0.03 одиниці pKa на градус Цельсія). Це відбувається тому, що дисоціація кислот зазвичай є ендотермічною, тому вищі температури сприяють дисоціації відповідно до принципу Ле Шательє. Наш калькулятор надає значення pKa при стандартній температурі 25°C (298.15 K).

Чи може з'єднання мати кілька значень pKa?

Так, з'єднання з кількома іонізованими атомами водню (поліпротонні кислоти) мають кілька значень pKa. Наприклад, ортофосфорна кислота (H₃PO₄) має три значення pKa: pKa₁ = 2.12, pKa₂ = 7.21 та pKa₃ = 12.67. Кожне значення відповідає послідовній втраті протонів. Як правило, стає все важче видаляти протони, тому pKa₁ < pKa₂ < pKa₃.

Як pKa пов'язане зі силою кислоти?

pKa та сила кислоти є обернено пропорційними: чим нижче значення pKa, тим сильнішою є кислота. Це тому, що нижче значення pKa вказує на вищий Ka (константа дисоціації кислоти), що означає, що кислота охоче віддає протони в розчині. Наприклад, хлороводнева кислота (HCl) з pKa -6.3 є набагато сильнішою кислотою, ніж оцтова кислота (CH₃COOH) з pKa 4.76.

Чому моє з'єднання не знайдено в базі даних калькулятора?

Наш калькулятор містить багато звичайних з'єднань, але хімічний всесвіт є величезним. Якщо ваше з'єднання не знайдено, це може бути через:

• Ви ввели нестандартну формулу нотації
• З'єднання є рідкісним або нещодавно синтезованим
• Значення pKa не було експериментально визначено
• Вам може знадобитися шукати в науковій літературі або спеціалізованих базах даних для отримання значення

Як я можу розрахувати pH буферного розчину, використовуючи pKa?

pH буферного розчину можна розрахувати за допомогою рівняння Хендерсона-Гассельбалха:

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

Де [основа] є концентрацією кон'югованої основи, а [кислота] є концентрацією слабкої кислоти. Це рівняння найкраще працює, коли концентрації знаходяться в межах приблизно фактора 10 один від одного.

Як значення pKa пов'язане з буферною ємністю?

Буферний розчин має максимальну буферну ємність (опір до зміни pH), коли pH дорівнює pKa слабкої кислоти. У цій точці концентрації кислоти та її кон'югованої основи є рівними, і система має максимальну здатність нейтралізувати додану кислоту або основу. Ефективний буферний діапазон зазвичай вважається pKa ± 1 одиниця pH.

Чи можуть значення pKa бути негативними або більшими за 14?

Так, значення pKa можуть бути негативними або більшими за 14. Масштаб pKa не обмежується 0-14 діапазоном шкали pH. Дуже сильні кислоти, такі як HCl, мають негативні значення pKa (близько -6.3), тоді як дуже слабкі кислоти, такі як метан (CH₄), мають значення pKa вище 40. Шкала pH обмежена властивостями води, але шкала pKa не має теоретичних обмежень.

Як мені вибрати правильний буфер на основі pKa?

Щоб створити ефективний буфер, виберіть слабку кислоту з pKa, близькою до вашого цільового pH. Наприклад:

• Для pH 4.7 використовуйте оцтову кислоту/ацетат (pKa = 4.76)
• Для pH 7.4 (фізіологічне pH) використовуйте фосфат (pKa₂ = 7.21)
• Для pH 9.0 використовуйте борну кислоту (pKa = 9.24)

Це забезпечить, що ваш буфер матиме хорошу ємність для опору змінам pH.

Як розчинник впливає на значення pKa?

Значення pKa зазвичай вимірюються у воді, але вони можуть суттєво змінюватися в різних розчинниках. Як правило:

• У полярних протичних розчинниках (таких як спирти) значення pKa часто подібні до тих, що в воді
• У полярних апротичних розчинниках (таких як DMSO або ацетонітрил) кислоти зазвичай виглядають слабшими (вищий pKa)
• У неполярних розчинниках поведінка кислот і основ може змінюватися повністю

Наприклад, оцтова кислота має pKa 4.76 у воді, але приблизно 12.3 у DMSO.

Список літератури

1. Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic Chemistry (2nd ed.). Oxford University Press.

2. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9th ed.). W. H. Freeman and Company.

3. 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

4. Bordwell, F. G. (1988). Equilibrium acidities in dimethyl sulfoxide solution. Accounts of Chemical Research, 21(12), 456-463. https://doi.org/10.1021/ar00156a004

5. Lide, D. R. (Ed.). (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). CRC Press.

6. Brown, T. E., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., & Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (14th ed.). Pearson.

7. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Database. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/

8. Perrin, D. D., Dempsey, B., & Serjeant, E. P. (1981). pKa Prediction for Organic Acids and Bases. Chapman and Hall.

---

Спробуйте наш калькулятор значення pKa зараз, щоб швидко знайти константу дисоціації кислоти вашого з'єднання та краще зрозуміти його хімічну поведінку в розчині!