pKa Kalkulačka - Okamžite vypočítajte disociačné konštanty kyselín

pKa je číslo, ktoré chemici používajú na meranie sily kyseliny vo vode. Rovná sa zápornému logaritmu so základom 10 disociačnej konštanty kyseliny Ka a ukazuje, ako ľahko molekula odovzdáva vodíkový ión (H⁺). Nižšie hodnoty pKa znamenajú silnejšie kyseliny, vyššie hodnoty slabšie kyseliny. Táto kalkulačka vyhľadá hodnotu pKa pre chemický vzorec, napríklad CH3COOH alebo HCl, v referenčnej tabuľke bežných kyselín a zásad.

Čo je pKa?

Kyselina je látka, ktorá môže po rozpustení vo vode odovzdať vodíkový ión H⁺. Niektoré kyseliny tento ión odovzdávajú ľahko, iné ho držia pevne. pKa je číslo, ktoré tento rozdiel vyjadruje.

Nízka hodnota pKa vrátane záporných čísel znamená, že kyselina ľahko odovzdáva protón a je silná. Vysoká hodnota pKa znamená, že kyselina svoj protón drží a je slabá.

Vzorec pKa

Keď sa kyselina (HA) rozpustí vo vode, reaguje vratnou reakciou:

HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺

HA je kyselina. A⁻ je jej konjugovaná zásada, teda časť, ktorá zostane po odštiepení protónu z kyseliny. H₃O⁺ je hydróniový ión, molekula vody, ktorá prijala uvoľnený protón.

V rovnováhe určujú koncentrácie týchto troch častí disociačnú konštantu kyseliny Ka:

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

kde $K_a$ je disociačná konštanta kyseliny a hranaté zátvorky označujú koncentráciu jednotlivých látok v rovnováhe.

pKa je záporný logaritmus so základom 10 Ka:

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

Chemici používajú pKa namiesto Ka, pretože hodnoty Ka môžu byť mimoriadne veľké alebo malé a môžu pokrývať mnoho mocnín desiatky. Logaritmus prevedie tieto čísla na kompaktnú stupnicu, ktorá sa ľahšie číta a porovnáva; z rovnakého dôvodu sa používa stupnica pH namiesto priamych hodnôt koncentrácie vodíkových iónov. Väčšia hodnota Ka znamená, že sa väčšia časť kyseliny rozštiepi na ióny, takže väčšia hodnota Ka vždy zodpovedá menšej hodnote pKa. Preto nižšia hodnota pKa znamená silnejšiu kyselinu.

Ako vypočítať pKa

Databáza tejto kalkulačky uchováva hodnoty pKa namerané priamo v experimentoch. pKa však možno vypočítať aj z pH roztoku, ak sú známe koncentrácie kyseliny a jej konjugovanej zásady, úpravou Hendersonovej-Hasselbalchovej rovnice:

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

Táto metóda je najpresnejšia vtedy, keď je pH roztoku blízke samotnej hodnote pKa, pretože v tomto rozsahu majú malé chyby merania najmenší vplyv na výsledok.

Vyriešený príklad

Kyselina octová (CH3COOH), kyselina obsiahnutá v octe, má pKa 4,76.

Ak chceme nájsť jej Ka, vzorec upravíme opačne:

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

Ak chceme nájsť pH roztoku, v ktorom je acetátový ión (A⁻) 1,7-krát koncentrovanejší než nedisociovaná kyselina (HA), použijeme Hendersonovu-Hasselbalchovu rovnicu opačným smerom:

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

pKa a sila kyseliny

Hodnoty pKa sa zvyčajne pohybujú približne od −10 pri najsilnejších kyselinách po 50 pri najslabších. Väčšina kyselín používaných v školskom alebo výskumnom laboratóriu má hodnotu medzi −10 a 15. Nasledujúca tabuľka uvádza príklady.

Užitočné pravidlo hovorí, že pKa kyseliny sa rovná pH, pri ktorom presne polovica jej molekúl odovzdala svoj protón. Tento bod je dôležitý pri pufrovacích roztokoch opísaných nižšie.

Prečo je pKa dôležité

Pufrovací roztok odoláva zmenám pH pri pridaní malého množstva kyseliny alebo zásady. Pufor funguje najlepšie, keď sa jeho pKa nachádza približne v rozmedzí jednej jednotky pH od cieľového pH, pretože vtedy môže zmes kyseliny a konjugovanej zásady pohltiť najväčšie množstvo pridanej kyseliny alebo zásady. Fosfátový pufor s pH blízkym 7 a acetátový pufor s pH blízkym 4,76 sa opierajú o toto pravidlo.

V tele pKa ovplyvňuje, ako liečivá prechádzajú cez bunkové membrány. Cez tukovú membránu bunky ľahko prechádza iba neionizovaná forma molekuly, teda forma bez elektrického náboja. Aspirín, slabá kyselina, zostáva v kyslom žalúdku (pH od 1 do 2) prevažne neionizovaný a vstrebáva sa tam. Keď sa dostane do takmer neutrálneho krvného obehu, väčšia časť sa zmení na ionizovanú formu.

pKa tiež ovplyvňuje skladanie bielkovín a fungovanie enzýmov. Bočné reťazce aminokyselín získavajú alebo strácajú protóny v závislosti od okolitého pH, čím sa mení ich elektrický náboj a správanie.

Niektoré kyseliny majú viac než jednu hodnotu pKa, pretože môžu stratiť viac než jeden protón. Kyselina fosforečná (H3PO4) môže stratiť tri protóny, postupne po jednom. Každá nasledujúca hodnota pKa je vyššia než predchádzajúca, pretože odtrhnutie protónu od už záporne nabitej molekuly vyžaduje viac energie. Táto kalkulačka uvádza prvú, najnižšiu hodnotu pKa takýchto kyselín.

Najčastejšie otázky

Aký je rozdiel medzi pKa a pH?

pKa je stála vlastnosť konkrétnej kyseliny. pH opisuje kyslosť skutočného roztoku a mení sa vždy, keď sa doň pridá kyselina alebo zásada. Kyselina octová má vždy pKa 4,76, ale roztok obsahujúci kyselinu octovú môže mať takmer ľubovoľné pH v závislosti od množstva rozpustenej látky a ďalších prímesí.

Môže byť pKa záporné alebo vyššie než 14?

Áno. Stupnica pH vo vode siaha približne od 0 do 14, ale pKa nemá takýto limit. Silné kyseliny, napríklad kyselina chlorovodíková (pKa −6,3), majú záporné hodnoty a veľmi slabé kyseliny, napríklad etán (pKa 50), majú veľmi vysoké hodnoty.

Prečo majú niektoré kyseliny viac než jednu hodnotu pKa?

Kyselina s viac než jedným vodíkovým iónom, ktorý môže odovzdať, ich stráca postupne po jednom a každý krok má vlastnú rovnováhu a vlastnú hodnotu pKa. Kyselina fosforečná má tri hodnoty pKa, pretože môže postupne stratiť tri protóny, pričom každý ďalší sa odstraňuje ťažšie než predchádzajúci.

Ako teplota ovplyvňuje pKa?

Väčšina hodnôt pKa sa s teplotou mierne mení, pretože disociácia kyseliny je zvyčajne endotermická reakcia, teda pohlcuje teplo. Zahrievanie roztoku podporuje väčšiu disociáciu, čím mierne zvyšuje Ka a znižuje pKa. Referenčné tabuľky vrátane tabuľky, ktorá je základom tejto kalkulačky, zvyčajne uvádzajú jednu hodnotu pKa pre štandardné podmienky.

Prečo sa zlúčenina v kalkulačke nezobrazuje?

Kalkulačka porovnáva vzorce s pevným zoznamom bežných kyselín a zásad. Očakáva zápis v obyčajnom texte, napríklad H2SO4 namiesto H₂SO₄, pričom prvky musia byť uvedené v štandardnom poradí. Ak je vzorec zadaný správne, ale kalkulačka napriek tomu nevráti žiadny výsledok, zlúčenina sa pravdepodobne nenachádza v tomto referenčnom zozname. Jej hodnotu môže uvádzať napríklad chemická databáza PubChem.

Ako sa pKa používa pri výbere pufra?

Pufor funguje najlepšie v rozmedzí približne jednej jednotky pH od pKa svojej kyseliny. Ak chce chemik udržať roztok blízko pH 7, vyberie kyselinu s hodnotou pKa blízkou 7, pretože vtedy sú kyselina a jej konjugovaná zásada prítomné v podobných množstvách a môžu neutralizovať najväčšie množstvo pridanej kyseliny alebo zásady.