5.3 : Кислоты и основания: K_a, pK_a и относительные силы

Этот урок углубляется в важнейший аспект относительной силы кислот и оснований. Силу кислоты оценивают по диссоциации кислоты на сопряженное основание и ион гидроксония в воде. Полная диссоциация сильной кислоты подтверждается очень высокой концентрацией ионов гидроксония. В результате неполный процесс диссоциации утверждает слабую кислоту. Следовательно, в этих реакциях равновесие находится в прямом направлении для сильных кислот и в обратном направлении для слабых кислот.

Соответственно, сила кислоты определяется концентрацией недиссоциированных молекул кислоты и ионов гидроксония. Хотя слабую кислоту можно оценить с помощью константы равновесия (K_eq), она постоянна для разбавленного раствора, а изменение концентрации воды незначительно. Это наблюдение приводит к модифицированной константе равновесия, известной как константа кислотности или константа диссоциации K_a. Чтобы определить константу кислотности, которая представляет собой шкалу кислотности, рассмотрим общую кислотно-основную реакцию:

Рисунок 1: Диссоциация обычной кислоты в воде.

Здесь HA обозначает некую кислоту, а A− обозначает сопряженное с ней основание. Следующее выражение представляет константу кислотности для этой реакции.

Рисунок 2: Константа кислотности для диссоциации обычной кислоты.

В этом соотношении основное внимание уделяется концентрации ионов гидроксония в числителе. Соответственно, увеличение числа этих ионов приводит к увеличению константы кислотности и более сильной кислоте. В органических кислотах величина K_a обычно разбросана на несколько порядков. Следовательно, сила различных кислот выражается через значения pK_a, рассчитываемые как отрицательный логарифм K_a:

Рисунок 3: Экспрессия pK_a

Здесь знак минус указывает на обратную зависимость между значением pK_a и кислотностью. Как выяснилось на примере бензойной кислоты по сравнению с бромистоводородной кислотой, более высокое значение pK_a соответствует более низкому значению K_a, что указывает на более слабую кислоту.

В рамках вышеизложенного принципа значения pK_a также могут определять силу основания. Поскольку при диссоциации основания образуется сопряженная кислота, более сильная сопряженная кислота соответствует более слабому основанию. Например, рассмотрим сравнение метанола с этиламином. Сопряженная кислота метанола со значением pK_a -3,8 более кислая, чем сопряженная кислота этиламина со значением pK_a 10,6. Следовательно, метанол является более слабым основанием, чем этиламин.