Калькулятор pKa - Миттєве обчислення констант кислотної дисоціації

pKa — це число, яке хіміки використовують для вимірювання сили кислоти у воді. Воно дорівнює від’ємному логарифму за основою 10 константи дисоціації кислоти Ka і показує, наскільки легко молекула віддає йон водню (H⁺). Нижчі значення pKa означають сильніші кислоти, а вищі — слабші. Цей калькулятор знаходить значення pKa для хімічної формули, наприклад CH3COOH або HCl, у довідковій таблиці поширених кислот і основ.

Що таке pKa?

Кислота — це речовина, яка може віддати йон водню, H⁺, розчиняючись у воді. Деякі кислоти легко віддають цей йон, інші міцно його утримують. Число pKa показує цю різницю.

Низьке pKa, зокрема від’ємне значення, означає, що кислота легко віддає свій протон і є сильною. Високе pKa означає, що кислота утримує свій протон і є слабкою.

Формула pKa

Коли кислота (HA) розчиняється у воді, вона вступає в оборотну реакцію:

HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺

HA — це кислота. A⁻ — її спряжена основа, частина, що залишається після втрати кислотою протона. H₃O⁺ — це гідроксонієвий йон, молекула води, яка приєднала вивільнений протон.

У стані рівноваги концентрації цих трьох частин визначають константу дисоціації кислоти Ka:

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

де $K_a$ — константа дисоціації кислоти, а квадратні дужки позначають концентрацію кожної частинки в стані рівноваги.

pKa — це від’ємний логарифм Ka за основою 10:

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

Хіміки використовують pKa замість Ka, оскільки значення Ka можуть бути надзвичайно великими або надзвичайно малими й охоплювати багато степенів числа десять. Логарифм перетворює ці числа на компактну шкалу, яку легше читати й порівнювати; з тієї самої причини використовують шкалу pH, а не необроблену концентрацію йонів водню. Більше Ka означає, що більша частина кислоти розпадається на йони, тому більшому Ka завжди відповідає менше pKa. Саме тому нижче pKa означає сильнішу кислоту.

Як обчислити pKa

База даних цього калькулятора містить значення pKa, безпосередньо виміряні в експериментах. Однак pKa також можна обчислити за pH розчину, якщо відомі концентрації кислоти та її спряженої основи, перетворивши рівняння Гендерсона—Гассельбаха:

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

Цей метод найточніший, коли pH розчину близький до самого pKa, оскільки саме тоді невеликі похибки вимірювання найменше впливають на результат.

Приклад обчислення

Оцтова кислота (CH3COOH), яка міститься в оцті, має pKa 4,76.

Щоб знайти її Ka, перетворимо формулу:

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

Щоб знайти pH розчину, у якому концентрація ацетат-йонів (A⁻) у 1,7 раза більша за концентрацію недисоційованої кислоти (HA), використаємо рівняння Гендерсона—Гассельбаха у зворотному напрямку:

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

pKa і сила кислоти

Значення pKa зазвичай варіюються приблизно від −10 для найсильніших кислот до 50 для найслабших. Більшість кислот, з якими працюють у шкільній або дослідницькій лабораторії, мають значення від −10 до 15. У таблиці нижче наведено приклади.

Корисне правило: pKa кислоти дорівнює pH, за якого рівно половина її молекул віддала свої протони. Це має значення для буферних розчинів, описаних нижче.

Чому pKa має значення

Буферний розчин протидіє змінам pH, коли до нього додають невеликі кількості кислоти або основи. Буфер працює найкраще, коли його pKa відрізняється від цільового pH не більш ніж приблизно на одну одиницю pH, оскільки за таких умов суміш кислоти та спряженої основи може поглинути найбільше доданої кислоти або основи. Фосфатний буфер із pH близько 7 і ацетатний буфер із pH близько 4,76 ґрунтуються на цьому правилі.

В організмі pKa впливає на те, як лікарські засоби проходять крізь клітинні мембрани. Лише неіонізована форма молекули, тобто форма без електричного заряду, легко проходить крізь жирову мембрану клітини. Аспірин, слабка кислота, у кислому середовищі шлунка (pH від 1 до 2) переважно залишається неіонізованим і всмоктується там. Потрапивши в кровотік із майже нейтральним середовищем, він значною мірою переходить в іонізовану форму.

pKa також впливає на згортання білків і роботу ферментів. Бічні ланцюги амінокислот набувають або втрачають протони залежно від навколишнього pH, що змінює їхній електричний заряд і поведінку.

Деякі кислоти мають більше одного значення pKa, оскільки можуть втрачати більше одного протона. Фосфорна кислота (H3PO4) може втратити три протони, один за одним. Кожне наступне значення pKa є вищим за попереднє, оскільки для відриву протона від уже негативно зарядженої молекули потрібно більше енергії. Цей калькулятор показує перше, найнижче значення pKa для таких кислот.

Поширені запитання

У чому різниця між pKa і pH?

pKa — стала властивість конкретної кислоти. pH описує кислотність фактичного розчину й змінюється щоразу, коли до нього додають кислоту або основу. Оцтова кислота завжди має pKa 4,76, але розчин, що містить оцтову кислоту, може мати майже будь-який pH залежно від кількості розчиненої кислоти та інших домішок.

Чи може pKa бути від’ємним або перевищувати 14?

Так. Шкала pH у воді простягається приблизно від 0 до 14, але pKa не має такого обмеження. Сильні кислоти, як-от хлороводнева кислота (pKa −6,3), мають від’ємні значення, а дуже слабкі кислоти, як-от етан (pKa 50), — дуже високі.

Чому деякі кислоти мають більше одного значення pKa?

Кислота, яка має більше одного йона водню для віддавання, втрачає їх по одному, і кожен етап має власну рівновагу та власне значення pKa. Фосфорна кислота має три значення pKa, оскільки може послідовно втратити три протони, причому кожен наступний відірвати важче, ніж попередній.

Як температура впливає на pKa?

Більшість значень pKa трохи змінюються з температурою, оскільки дисоціація кислоти зазвичай є ендотермічною реакцією, тобто поглинає тепло. Нагрівання розчину сприяє більшій дисоціації, що трохи підвищує Ka і знижує pKa. У довідкових таблицях, зокрема в тій, що лежить в основі цього калькулятора, зазвичай наводять одне значення pKa для стандартних умов.

Чому сполука не відображається в калькуляторі?

Калькулятор зіставляє формули з фіксованим переліком поширених кислот і основ. Він очікує запис у вигляді звичайного тексту, наприклад H2SO4, а не H₂SO₄, зі стандартним порядком елементів. Якщо формулу введено правильно, але результату все одно немає, імовірно, сполука не входить до цього довідкового переліку. Значення для неї може бути наведено в хімічній базі даних, як-от PubChem.

Як за допомогою pKa вибрати буфер?

Буфер працює найкраще в межах приблизно однієї одиниці pH від pKa своєї кислоти. Наприклад, щоб підтримувати розчин на рівні pH 7, хімік вибере кислоту з pKa, близьким до 7, оскільки за таких умов кислота та її спряжена основа присутні в подібних кількостях і можуть нейтралізувати найбільшу кількість доданої кислоти або основи.