JONISAATIOVAKIO: YHTÄLÖ JA HARJOITUKSET - KEMIA - 2025

Ionisaatio vakio, dissosiaatiovakio tai happamuus vakio, on ominaisuus, joka heijastaa taipumus aineen vapautuminen vetyioneja; eli se liittyy suoraan hapon vahvuuteen. Mitä korkeampi dissosiaatiovakion (Ka) arvo, sitä suurempi vetyionien vapautuminen hapolla.

Esimerkiksi veden suhteen sen ionisaatiota kutsutaan ”autoprotolyysiksi” tai “autoionisaatioksi”. Vesimolekyyli antaa tässä toiselle H ⁺: n, joka tuottaa H ₃ O ⁺ ja OH ^- ioneja, kuten alla olevassa kuvassa esitetään.

Lähde: Cdang, Wikimedia Commonsista

Hapon dissosiaatio vesiliuoksesta voidaan hahmotella seuraavalla tavalla:

HA + H ₂ O <=> H ₃ O ⁺ + A ^-

Jossa HA on happo, joka ionisoituu, H ₃ O ⁺ hydroniumioniin, ja A ^- sen konjugaatti pohja. Jos Ka on korkea, enemmän HA hajoaa ja siksi hydroniumionin pitoisuus on suurempi. Tämä happamuuden kasvu voidaan määrittää tarkkailemalla liuoksen pH: n muutosta, jonka arvo on alle 7.

Ionisoitumisen tasapaino

Kaksinkertaiset nuolet ylemmässä kemiallisessa yhtälössä osoittavat, että reaktanttien ja tuotteen välille on muodostettu tasapaino. Koska jokaisella tasapainolla on vakio, sama tapahtuu hapon ionisaatiolla ja ilmaistaan ​​seuraavasti:

K = /

Termodynaamisesti vakio Ka määritetään aktiivisuuksilla, ei pitoisuuksilla. Laimeissa vesiliuoksissa veden aktiivisuus on kuitenkin noin 1 ja hydroniumionin, konjugaattiemäksen ja dissosioitumattoman hapon aktiivisuudet ovat lähellä moolipitoisuuksiaan.

Näistä syistä otettiin käyttöön dissosiaatiovakion (ka) käyttö, joka ei sisällä veden pitoisuutta. Tämän avulla heikko happoerostelu voidaan kaavata yksinkertaisemmalla tavalla, ja dissosiaatiovakio (Ka) ilmaistaan ​​samassa muodossa.

HA <=> H ⁺ + A ^-

Ka = /

Ka

Disosiaatiovakio (Ka) on tasapainovakion ilmaisumuoto.

Ei-assosioituneen hapon, konjugaattiemäksen ja hydronium- tai vetyionin pitoisuudet pysyvät vakiona heti kun tasapainotila saavutetaan. Toisaalta konjugaattiemäksen ja hydroniumionin pitoisuudet ovat täsmälleen samat.

Niiden arvot annetaan 10: n voimana negatiivisilla eksponenteilla, joten käyttöön otettiin yksinkertaisempi ja hallittavissa oleva Ka-lausekkeen muoto, jota he kutsuivat pKa: ksi.

pKa = - log Ka

PKa: ta kutsutaan yleisesti hapon dissosiaatiovakioksi. PKa-arvo on selkeä osoitus hapon voimakkuudesta.

Niitä happoja, joiden pKa-arvo on vähemmän tai enemmän negatiivinen kuin -1,74 (hydroniumionin pKa), pidetään vahvoina hapoina. Vaikka hapot, joiden pKa on suurempi kuin -1,74, niitä pidetään ei-vahvoina hapoina.

Henderson-Hasselbalch-yhtälö

Ka-lausekkeesta johdetaan yhtälö, joka on erittäin hyödyllinen analyyttisissä laskelmissa.

Ka = /

Ottaen logaritmit, log Ka = log H ⁺ + log A ^- - log HA

Ja ratkaisu logi H ⁺: lle:

-logi H = - log Ka + log A ^- - log HA

Sitten käyttämällä pH: n ja pKa: n määritelmiä ja ryhmittelemällä termit uudelleen:

pH = pKa + log (A ^- / HA)

Tämä on kuuluisa Henderson-Hasselbalch-yhtälö.

Käyttää

Henderson-Hasselbach-yhtälöä käytetään puskuroiden pH: n arvioimiseen samoin kuin kuinka konjugaattiemäksen ja hapon suhteelliset pitoisuudet vaikuttavat pH: hon.

Kun konjugoidun emäksen konsentraatio on yhtä suuri kuin hapon konsentraatio, molempien termien konsentraatioiden välinen suhde on yhtä suuri kuin 1; ja sen vuoksi sen logaritmi on yhtä suuri kuin 0.

Seurauksena on pH = pKa, mikä on erittäin tärkeää, koska tässä tilanteessa puskurin hyötysuhde on suurin.

PH-vyöhyke, jossa on suurin puskurointikapasiteetti, otetaan yleensä siitä, jossa pH = pka ± 1 pH-yksikkö.

Ionisaation vakioharjoitukset

Harjoitus 1

Heikon hapon laimealla liuoksella on seuraavat konsentraatiot tasapainossa: dissosioitumaton happo = 0,065 M ja konjugaatin emäskonsentraatio = 9 · 10 - ⁴ M. Laske hapon Ka ja pKa.

Vetyionin tai hydroniumionin konsentraatio on yhtä suuri kuin konjugaatin emäksen konsentraatio, koska ne tulevat saman hapon ionisaatiosta.

Korvaa yhtälössä:

Ka = / HA

Korvataan yhtälössä vastaavat arvot:

Ka = (9 10 - ⁴ M) (9 10 - ⁴ M) / 65 10 - ³ M

= 1 246 ^10-5

Ja sitten lasketaan sen pKa

pKa = - log Ka

= - loki 1 246 10 ^-5

= 4 904

Harjoitus 2

Heikolla hapolla, jonka konsentraatio on 0,03 M, on dissosiaatiovakio (Ka) = 1,5 · 10 ^-4. Laske: a) vesiliuoksen pH; b) hapon ionisaatioaste.

Tasapainossa hapon konsentraatio on yhtä suuri kuin (0,03 M - x), missä x on hajoavan hapon määrä. Siksi vety- tai hydroniumionipitoisuus on x, samoin kuin konjugaattiemäksen pitoisuus.

Ka = / = 1,5 10 ^-6

= = x

Y = 0,03 M - x. Ka: n pieni arvo osoittaa, että happo dissosioituu todennäköisesti hyvin vähän, joten (0,03 M - x) on suunnilleen yhtä suuri kuin 0,03 M.

Korvaa Ka:

1,5 10 ^-6 = x ^2/3 10 ^-2

x ² = 4,5 10 ^-8 M ²

x = 2,12 x 10 - ⁴ M

Ja koska x =

pH = - log

= - loki

pH = 3,67

Ja lopuksi, ionisaatioaste: se voidaan laskea seuraavalla lausekkeella:

o / HA] x 100%

(2,12 10 ^-4 / 3 10 ^-2) x 100%

0,71%

Harjoitus 3

Lasken Ka: n hapon ionisaatioprosentteista tietäen, että se ionisoituu 4,8% alkuperäisestä pitoisuudesta 1,5 · 10 ^-3 M.

Ionisoituneen hapon määrän laskemiseksi määritetään sen 4,8%.

Ionisoitu määrä = 1,5 · 10 ^-3 M (4,8 / 100)

= 7,2 x ^10-5 M

Tämä ionisoituneen hapon määrä on yhtä suuri kuin konjugoidun emäksen konsentraatio ja hydronium- tai vetyionin konsentraatio tasapainossa.

Tasapainohappokonsentraatio = hapon alkuperäinen konsentraatio - ionisoituneen hapon määrä.

= 1,5 ^10-3 M - 7,2 ^10-5 M

= 1 428 x ^10-3 M

Ja sitten ratkaiseminen samoilla yhtälöillä

Ka = /

Ka = (7,2 · 10 - ⁵ M x 7,2 · 10 - ⁵ M) / 1,428 · 10 - ³ M

= 3,63 x ^10-6

pKa = - log Ka

= - loki 3,63 x 10 ^-6

= 5,44

Viitteet

1. Kemia LibreTexts. (SF). Dissosiaatiovakio. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
2. Wikipedia. (2018). Dissosiaatiovakio. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Whitten, KW, Davis, RE, Peck, LP & Stanley, GG Chemistry. (2008) kahdeksas painos. Cengagen oppiminen.
4. Segel IH (1975). Biokemialliset laskelmat. 2nd. Painos. John Wiley & Sons. INC.
5. Kabara E. (2018). Kuinka laskea happoionisaatiovakio. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com.