Εξίσωση σταθερού ιονισμού από τον Henderson Hasselbalch και ασκήσεις

Το σταθεροποίηση ιονισμού (ή διάσπαση) είναι μια ιδιότητα που αντικατοπτρίζει την τάση μιας ουσίας να απελευθερώνει ιόντα υδρογόνου. δηλαδή, συνδέεται άμεσα με την ισχύ ενός οξέος. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της σταθεράς διάστασης (Ka), τόσο μεγαλύτερη είναι η απελευθέρωση δεσμών υδρογόνου από το οξύ.

Όσον αφορά το νερό, για παράδειγμα, ο ιονισμός του είναι γνωστός ως «αυτοπροτόνωση» ή «αυτοκινητοποίηση». Εδώ, ένα μόριο νερού αποδίδει ένα Η⁺ σε άλλο, παράγοντας τα ιόντα Η₃Ο⁺ και OH^-, όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα.

Η διάσπαση ενός οξέος από ένα υδατικό διάλυμα μπορεί να σχηματοποιηθεί με τον ακόλουθο τρόπο:

ΗΑ + Η₂Ο    <=>  H₃Ο⁺     +       Α^-

Όπου το ΗΑ αντιπροσωπεύει το οξύ που είναι ιονισμένο, το Η₃Ο⁺ στο ιόν υδρογόνου και Α^- τη συζευγμένη βάση. Αν το Ka είναι υψηλό, ένα μεγαλύτερο μέρος του ΗΑ θα διαχωριστεί και κατά συνέπεια θα υπάρξει μεγαλύτερη συγκέντρωση του ιόντος υδρονίου. Αυτή η αύξηση της οξύτητας μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας μια αλλαγή στο ρΗ του διαλύματος, η τιμή του οποίου είναι κάτω από 7..

Ευρετήριο

• 1 Ισοζυγικό ισοζύγιο
  • 1.1 Ka
• 2 Henderson-Hasselbalch εξίσωση
  • 2.1 Χρήση
• 3 Ασκήσεις σταθερής ιονισμού
  • 3.1 Άσκηση 1
  • 3.2 Άσκηση 2
  • 3.3 Άσκηση 3
• 4 Αναφορές

Ιονιστική ισορροπία

Τα διπλά βέλη στην άνω χημική εξίσωση υποδεικνύουν ότι υπάρχει ισορροπία μεταξύ των αντιδραστηρίων και του προϊόντος. Καθώς όλη η ισορροπία έχει μια σταθερά, το ίδιο συμβαίνει και με τον ιονισμό ενός οξέος και εκφράζεται ως εξής:

Κ = [Η₃Ο⁺] [A^-] / [ΗΑ] [Η₂O]

Θερμοδυναμικά η σταθερά Ka ορίζεται από την άποψη των δραστηριοτήτων, όχι των συγκεντρώσεων. Εντούτοις, σε αραιά υδατικά διαλύματα η ενεργότητα του νερού είναι περίπου 1 και οι δραστικότητες του ιόντος υδρονίου, της συζυγούς βάσης και του μη διασυνδεδεμένου οξέος είναι κοντά στις μοριακές τους συγκεντρώσεις.

Για τους λόγους αυτούς, εισήχθη η χρήση της σταθεράς διάστασης (ka) η οποία δεν περιλαμβάνει συγκέντρωση νερού. Αυτό επιτρέπει ότι η διάσπαση του ασθενούς οξέος μπορεί να σχηματοποιηθεί με απλούστερο τρόπο και η σταθερά διάστασης (Ka) εκφράζεται με τον ίδιο τρόπο.

HA  <=> H⁺     +      Α^-

Ka = [Η⁺] [A^-] / [HA]

Κα

Η σταθερά διάστασης (Ka) είναι μια μορφή έκφρασης μιας σταθεράς ισορροπίας.

Οι συγκεντρώσεις του μη διαχωρισμένου οξέος, της συζυγούς βάσης και του ιόντος υδρογόνου ή υδρογόνου παραμένουν σταθερές μόλις επιτευχθεί η κατάσταση ισορροπίας. Από την άλλη πλευρά, η συγκέντρωση της συζευγμένης βάσης και του ιόντος υδρονίου είναι ακριβώς η ίδια.

Οι αξίες τους δίδονται σε εξουσίες 10 με αρνητικούς εκθέτες, έτσι εισήχθη μια πιο απλή και διαχειρίσιμη μορφή έκφρασης Ka, την οποία ονόμασαν pKa.

pKa = - log Ka

Το pKa αναφέρεται συνήθως ως σταθερά διαστάσεως οξέος. Η τιμή του pKa είναι μια σαφής ένδειξη της αντοχής ενός οξέος.

Αυτά τα οξέα που έχουν τιμή pKa χαμηλότερη ή περισσότερο αρνητική από -1,74 (pKa του ιόντος υδρονίου) θεωρούνται ισχυρά οξέα. Ενώ τα οξέα που έχουν ρΚα μεγαλύτερη από -1,74, θεωρούνται ως μη ισχυρά οξέα.

Henderson-Hasselbalch εξίσωση

Από την έκφραση του Ka προκύπτει μια εξίσωση που έχει τεράστια χρησιμότητα σε αναλυτικούς υπολογισμούς.

Ka = [Η⁺] [A^-] / [HA]

Λήψη λογαρίθμων,

log Ka = log Η⁺  +   log A^-   -   log ΗΑ

Και εκκαθάριση αρχείου καταγραφής H⁺:

-log H = - log Ka + log Α^-   -   log ΗΑ

Χρησιμοποιώντας έπειτα τους ορισμούς του ρΗ και ρΚα και τους όρους ανασύνδεσης:

ρΗ = pKa + log (Α^- / ΗΑ)

Αυτή είναι η περίφημη εξίσωση Henderson-Hasselbalch.

Χρήση

Η εξίσωση Henderson-Hasselbach χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του pH των ρυθμιστικών διαλυμάτων, καθώς και για τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζουν τις σχετικές συγκεντρώσεις της συζευγμένης βάσης και του οξέος στο pH.

Όταν η συγκέντρωση της συζευγμένης βάσης είναι ίση με τη συγκέντρωση του οξέος, ο λόγος μεταξύ των συγκεντρώσεων και των δύο όρων είναι ίσος με 1, και επομένως ο λογάριθμος του ισούται με 0.

Κατά συνέπεια το ρΗ = ρΚα, έχοντας αυτό πολύ σημαντικό, αφού σε αυτή την περίπτωση η απόδοση του ρυθμιστή είναι μέγιστη.

Είναι συνηθισμένη η λήψη της ζώνης pH όπου υπάρχει η μέγιστη χωρητικότητα buffer, εκεί όπου η τιμή pH = pka ± 1 μονάδα pH.

Ασκήσεις σταθερής ιονισμού

Άσκηση 1

Το αραιωμένο διάλυμα ενός ασθενούς οξέος έχει τις ακόλουθες συγκεντρώσεις σε ισορροπία: μη συνδεδεμένο οξύ = 0,065 Μ και συγκέντρωση βάσης συζυγούς = 9,10^-4 Μ. Υπολογίστε τα Ka και pKa του οξέος.

Η συγκέντρωση του ιόντος υδρογόνου ή του ιόντος υδρογόνου είναι ίση με τη συγκέντρωση της συζευγμένης βάσης, εφόσον προέρχονται από τον ιονισμό του ιδίου οξέος.

Αντικαθιστώντας στην εξίσωση:

Ka = [Η⁺] [A^-] / ΗΑ

Αντικαθιστώντας στην εξίσωση τις αντίστοιχες τιμές τους:

Ka = (9 · 10^-4 Μ) (9 · 10^-4 Μ) / 65 · 10^-3 Μ

= 1,246 · 10^-5

Και υπολογίζοντας τότε το pKa του

pKa = - log Ka

= - log 1,246 · 10^-5

= 4,904

Άσκηση 2

Ένα ασθενές οξύ με συγκέντρωση 0,03 Μ, έχει σταθερά διαχωρισμού (Ka) = 1,5 · 10^-4. Υπολογίστε: α) το ρΗ του υδατικού διαλύματος. β) τον βαθμό ιονισμού του οξέος.

Σε ισορροπία η συγκέντρωση του οξέος είναι ίση με (0,03 Μ - χ), όπου το χ είναι η ποσότητα του οξέος που διασπάται. Επομένως, η συγκέντρωση του ιόντος υδρογόνου ή υδρογόνου είναι x, όπως και η συγκέντρωση συζευγμένης βάσης.

Ka = [Η⁺] [A^-] / [ΗΑ] = 1,5 · 10^-6

[Η⁺] = [Α^-] = x

Υ [ΗΑ] = 0,03 Μ - χ. Η μικρή τιμή του Ka υποδεικνύει ότι το οξύ πιθανώς διασπάται πολύ λίγο, έτσι ώστε (0,03 Μ - χ) να είναι περίπου ίσο με 0,03 Μ.

Αντικατάσταση στο Ka:

1,5 · 10^-6 = x² / 3 · 10^-2

x² = 4,5 · 10^-8 Μ²

x = 2,12 χ 10^-4 Μ

Και ως x = [H⁺]

ρΗ = - log [Η⁺]

= - log [2,12 x 10^-4]

ρΗ = 3.67

Και τέλος όσον αφορά τον βαθμό ιονισμού: μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη έκφραση:

[Η⁺] ή [A^-] / ΗΑ] χ 100%

(2.12 · 10^-4 / 3 · 10^-2) χ 100%

0,71%

Άσκηση 3

Υπολογίζομαι το Ka από το ποσοστό ιονισμού ενός οξέος, γνωρίζοντας ότι ιονίζεται κατά 4,8% από αρχική συγκέντρωση 1,5 · 10^-3 Μ.

Για να υπολογιστεί η ποσότητα του οξέος που είναι ιονισμένο προσδιορίζεται το 4,8%.

Ιονισμένη ποσότητα = 1,5 · 10^-3 Μ (4,8 / 100)

= 7,2 χ 10^-5 Μ

Αυτή η ποσότητα του ιονισμένου οξέος είναι ίση με τη συγκέντρωση της συζευγμένης βάσης και με τη συγκέντρωση του ιόντος υδρονίου ή ιόντος υδρογόνου στην ισορροπία.

Η συγκέντρωση του οξέος στην ισορροπία = αρχική συγκέντρωση του οξέος - η ποσότητα του ιονισμένου οξέος.

[ΗΑ] = 1,5 · 10^-3 Μ - 7,2 · 10^-5 Μ

= 1,428 x 10^-3 Μ

Και επίλυση τότε με τις ίδιες εξισώσεις

Ka = [Η⁺] [A^-] / [HA]

Ka = (7.2 · 10^-5 Μ χ 7,2 · 10^-5 Μ) / 1,428 · 10^-3 Μ

= 3.63 χ 10^-6

pKa = - log Ka

= - log 3,63 χ 10^-6

= 5.44

Αναφορές

1. Χημεία LibreTexts. (s.f.). Διασπορά σταθερά. Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org
2. Wikipedia. (2018). Διασπορά σταθερά. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
3. Whitten, Κ. W., Davis, R.E., Peck, L. Ρ. And Stanley, G. G. Chemistry. (2008) Όγδοη έκδοση. Εκπαιδευτική εκπαίδευση.
4. Segel Ι Η. (1975). Βιοχημικοί υπολογισμοί. 2η. Έκδοση. John Wiley & Sons. INC.
5. Kabara Ε. (2018). Πώς να υπολογίσετε τη σταθερότητα του ιονισμού οξέων. Μελέτη. Ανακτήθηκε από: study.com.