Константа диссоциации кислоты
-
Определение константы диссоциации кислоты
- Константа диссоциации кислоты (Ka) — это количественный показатель концентрации кислоты в растворе.
- Ka определяется как константа равновесия для реакции диссоциации кислоты.
- Ka зависит от температуры и молекулярной структуры кислоты.
-
Теоретические основы
- Ka связана с термодинамикой реакции диссоциации.
- Величина pKa изменяется в зависимости от температуры и структуры кислоты.
- Полинг предложил правила для определения pKa полипротонных кислот и оксикислот.
-
Количественное поведение кислот и щелочей
- Значения pKa необходимы для понимания pH раствора.
- pKa используются в медицине, водной химии, биологии и геологии.
- pKa важны для приготовления буферных растворов и понимания взаимодействия кислот и оснований с ионами металлов.
-
Экспериментальное определение
- Значения pKa могут быть определены потенциометрическим титрованием.
- При низких или высоких значениях pKa могут потребоваться спектрофотометрические или ЯМР-измерения.
-
Определения кислот и оснований
- Кислота теряет протон, образуя сопряженное основание и ион гидрония.
- Основание принимает протон, образуя сопряженную кислоту.
- В химии растворов H+ обозначает сольватированный ион гидрония.
-
Константа равновесия
- Ka является частным примером константы равновесия.
- Диссоциация монопротонной кислоты может быть записана как реакция обмена протонами.
- Ka определяется через активности продуктов и реагентов.
-
Кумулятивные и ступенчатые константы
- Кумулятивная константа равновесия связана с произведением ступенчатых констант.
- Для двухосновной кислоты соотношение между ступенчатыми и общими константами выглядит как произведение.
-
Константы ассоциации и диссоциации
- При обсуждении свойств кислот обычно используются константы диссоциации.
- Ассоциативные константы используются для базисов.
- Компьютерные программы используют ассоциативные константы для кислот и оснований.
-
Константы стабильности и протонирование лиганда
- Константы стабильности комплекса металл-лиганд указываются как константы ассоциации.
- Протонирование лиганда также должно быть указано как реакция ассоциации.
- Величина константы кислотной диссоциации обратно пропорциональна константе ассоциации.
-
Температурная зависимость констант равновесия
- Все константы равновесия изменяются с температурой по уравнению Ван-т-Хоффа.
- Для экзотермических реакций константа уменьшается с повышением температуры.
- Для эндотермических реакций константа увеличивается с повышением температуры.
-
Размерность констант равновесия
- Константа равновесия не имеет физического измерения, но может быть выражена через мольные доли.
- В биохимии константы равновесия указываются с размерностью, например, «Ka = 30 мм».
-
Сильные кислоты и щелочи
- Кислота считается сильной, если её недиссоциированные соединения слишком малы для измерения.
- Сильные кислоты полностью диссоциируют в водном растворе.
- Сильные основания приравниваются к OH−.
-
Монопротонные кислоты
- Уравнение Хендерсона-Хассельбалха связывает pH с концентрацией ионов.
- При половинной нейтрализации pH равен pKa.
- Буферная область простирается на диапазон pKa ± 2.
-
Полипротонные кислоты
- Полипротонные кислоты могут терять более одного протона.
- Каждая константа ступенчатой диссоциации определяется для потери одного протона.
- Последовательные значения pK увеличиваются с удалением протонов.
-
Изоэлектрическая точка
- Изоэлектрическая точка (pI) определяется как значение рН, при котором сумма концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц равна.
- Для глицина pI = 4,5.
-
Основания и основность
- Константа равновесия Kb для основания связана с Ka для сопряженной кислоты.
- В водных растворах при 25°C pKw = 13,9965.
-
Определение pKb и pKa
- pKb и pKa часто используются вместе, но pKb может быть определен как константа ступенчатой диссоциации.
- pKaH используется для количественного определения основности в неводных растворах.
-
Амфотерные вещества
- Амфотерные вещества могут действовать как кислоты или основания в зависимости от рН.
- Вода и бикарбонатный ион являются примерами амфотерных молекул.
- Аминокислоты также амфотерны и подчиняются внутреннему кислотно-щелочному равновесию.
-
Самоионизация воды
- Вода может либо получать, либо терять протон, что делает её амфипротонной.
- Константа самоионизации воды, кВт, является частным случаем константы диссоциации кислоты.
-
Кислотность в неводных растворах
- Протонные растворители, такие как ДМСО, способствуют ионизации кислот.
- Ацетонитрил менее щелочной, чем ДМСО, и кислоты в нём слабее.
- В кислых растворителях ионизация кислот меньше, чем в воде.
-
Смешанные растворители
- Значения pKa в смешанных растворителях не могут быть использованы для водных растворов.
- Значения pKa для смешанных растворителей можно сравнивать, но не экстраполировать на водные растворы.
-
Факторы, влияющие на значения pKa
- Второе правило Полинга: pKa зависит от числа оксогрупп и не зависит от числа гидроксильных групп.
- Индуктивные и мезомерные эффекты влияют на значения pKa, например, замена атомов водорода в уксусной кислоте.
- Спирты и ароматические соединения могут иметь низкие значения pKa из-за структурных эффектов.
-
Фумаровая и малеиновая кислоты
- Фумаровая кислота имеет pKa от 3,0 до 4,5, малеиновая кислота — от 1,5 до 6,5
- Малеиновая кислота образует прочную водородную связь, что препятствует удалению второго протона
- Фумаровая кислота не образует водородных связей
-
Протонная губка
- 1,8-бис (диметиламино)нафталин имеет pKa 12,1
- Высокая основность объясняется уменьшением напряжения при протонировании и прочными водородными связями
-
Влияние растворителя и сольватации
- Влияние растворителя и сольватации более тонкое, чем диэлектрической среды
- Метиламины стабилизируются при гидратации, но катионы метиламмония используют все протоны для образования донорной связи
-
Термодинамика
- Константа равновесия связана со стандартным изменением энергии Гиббса
- Стандартное изменение энтальпии может быть определено калориметрией или уравнением Ван-т-Хоффа
- Стандартное изменение энтропии вычисляется по уравнению
-
Экспериментальное определение pKa
- Значения pKa определяются титрованием в среде с высокой ионной силой
- Буферные области содержат информацию для определения pKa
- Для определения значений pK менее 2 или более 11 используются спектрофотометрические или ЯМР методы
-
Микроконстанты
- Для полипротонных кислот диссоциация происходит в нескольких участках
- Макроконстанта представляет собой сумму микроконстант
- Микроконстанты не могут быть определены непосредственно, но важны для биологической функции
-
Значение pKa
- Знание pKa важно для количественной обработки систем кислотно-щелочного равновесия.
- В биохимии pKa белков и аминокислот важны для активности ферментов и стабильности белков.
- Буферные растворы используются для поддержания физиологического pH и изучения биохимических реакций.
-
Буферные растворы
- MOPS и трицин являются важными буферными растворами.
- Буферизация важна для кислотно-щелочной физиологии и понимания расстройств.
- Изоэлектрическая точка зависит от значений pK, что позволяет использовать изоэлектрическую фокусировку.
-
Аналитическая химия
- Буферные растворы фиксируют pH раствора на определенном уровне.
- Буферная емкость максимальна при pH = pKa.
- Буферные растворы используются для оптимизации экстракции соединений в органическую фазу.
-
Фармакология
- Ионизация соединения изменяет его физические свойства и макроэлементы.
- Знание pKa важно для разработки лекарств.
-
Координационные комплексы
- Знание pKa необходимо для понимания образования координационных комплексов.
- Лиганд может подвергаться протонированию, что требует знания pKa протонированного лиганда.
-
Опасность кислот и оснований
- Знание pKa помогает оценить опасность кислот и оснований.
- Цианистый водород токсичен в кислотных растворах, но безопасен в щелочных.
-
Наука об окружающей среде
- Кислотно-щелочное равновесие важно для озер и рек.
- Значения pKa используются для оценки растворимости железа в морской воде.
-
Методы определения pKa
- Существует множество методов определения pKa, что приводит к расхождениям.
- Значения обычно отличаются на 0,1 единицы при температуре 25°C в воде.
-
Дополнительные ресурсы
- Ссылки на внешние ресурсы и программы для расчета pKa и pH.
- Бесплатные руководства и инструменты для интерпретации и измерения pKa.