pKa — це числовий показник, що характеризує кислотність хімічної сполуки та її здатність віддавати протон (H+). Значення pKa дозволяє оцінити слабкість або силу кислоти: чим менше значення pKa, тим сильніша кислота. Показник pKa широко використовується в хімії, біохімії та фармакології для прогнозування поведінки молекул у водних та органічних розчинах.
Визначення
pKa визначається як від’ємний десятковий логарифм константи кислотності (Ka):
pKa = -log10(Ka)
де Ka — константа кислотності, що відображає рівновагу між кислотою HA та її іоном A- у водному розчині:
HA ⇌ H+ + A-
Ka = [H+][A-] / [HA]
Значення pKa є безрозмірним числом і зазвичай знаходиться в межах від приблизно -10 (дуже сильні кислоти) до понад 50 (дуже слабкі кислоти) у воді.
Інтерпретація
- Малий pKa (менше 3) — сильна кислота, легко віддає протон.
- Середній pKa (3–7) — помірна кислота.
- Великий pKa (вище 7) — слабка кислота, важко віддає протон.
Рівняння Гендерсона-Гассельбаха дозволяє прогнозувати співвідношення між формами кислоти і її кон’югованою основою у залежності від pH:
pH = pKa + log10([A-] / [HA])
Фактори, що впливають на pKa
- Електронні ефекти — електронодонорні та електроноакцепторні групи у молекулі можуть зменшувати або збільшувати pKa.
- Розчинник — водні розчини з різною полярністю можуть змінювати кислотність.
- Температура — підвищення температури змінює константу Ka, відповідно змінюється і pKa.
- Іонна сила середовища — наявність солей і йонів може стабілізувати або дестабілізувати іони H+ та A-, змінюючи кислотність.
Застосування pKa
- Хімічний синтез: вибір умов реакції та каталізаторів.
- Біохімія: прогнозування іонізації амінокислот, пептидів, нуклеїнових кислот.
- Фармакологія: визначення поглинання та розчинності лікарських препаратів у різних середовищах.
- Аналітична хімія: титрування кислот і основ.
Таблиця кислотності (pKa) для різних сполук
| Сполука / Іон | Формула | pKa | Коментар |
|---|---|---|---|
| Дуже сильні кислоти | |||
| Хлоридна кислота | HCl | -6 | Сильна неорганічна кислота |
| Сульфатна кислота (перша протонізація) | H2SO4 | -3 | Сильна мінеральна кислота |
| Нітратна кислота | HNO3 | -1.4 | Сильна неорганічна кислота |
| Гідроній-іон | H3O+ | -1.7 | Водний розчин |
| Хлорнова кислота | HClO | 7.5* | Залежить від умов |
| Середні кислоти | |||
| Оцтова кислота | CH3COOH | 4.76 | Органічна карбоксильна кислота |
| Карбонатна кислота (перша протонізація) | H2CO3 | 6.35 | Природний буфер |
| Вугільна кислота (друга протонізація) | H2CO3 | 10.33 | Слабша від першої |
| Лимонна кислота (перша протонізація) | C6H8O7 | 3.13 | Органічна трьохосновна кислота |
| Слабкі кислоти | |||
| Фенол | C6H5OH | 9.95 | Ароматична кислота |
| Вода (як кислота) | H2O | 15.7 | Дуже слабка |
| Етанол | CH3CH2OH | 16 | Алкоголь |
| Амоніак | NH3 | 38 | Дуже слабка |
| Диверсні органічні кислоти | |||
| Саліцилова кислота | C7H6O3 | 2.97 | Болеутворююча кислота |
| Молочна кислота | C3H6O3 | 3.86 | Відповідає біохімічним процесам |
| Піруватна кислота | C3H4O3 | 2.49 | Біохімічний метаболіт |
| Фосфорна кислота | H3PO4 | 2.15, 7.2, 12.3 | Трипротонна кислота |
| Піровиноградна кислота | C3H4O3 | 2.5 | Біохімічна |
| Трихлороцтова кислота | CCl3COOH | 0.7 | Дуже сильна органічна кислота |
Пояснення
- pKa < 0 – дуже сильні кислоти (легко дисоціюють у воді).
- pKa 0–3 – сильні кислоти (неорганічні та деякі органічні).
- pKa 3–7 – помірні кислоти (карбоксильні та деякі біохімічні).
- pKa 7–10 – слабкі кислоти (ароматичні, феноли).
- pKa >10 – дуже слабкі кислоти (спирти, аміак, вода).
Велика таблиця pKa значень кислот
| Сполука / Іон | Формула текстом | pKa (приблизно) | Коментар |
|---|---|---|---|
| Дуже сильні кислоти | |||
| Перхлорна кислота | HClO4 | ≈ -10 | Дуже сильна неорганічна кислота |
| Сульфатна кислота | H2SO4 | ≈ -3 | Дуже сильна мінеральна кислота |
| Нітратна кислота | HNO3 | ≈ -1.4 | Дуже сильна кислота |
| Гідроній‑іон | H3O+ | ≈ -1.74 | Водна форма протону |
| Гідрохлоридна кислота | HCl | ≈ -7 | Дуже сильна кислота |
| Гідробромідна кислота | HBr | ≈ -9 | Дуже сильна кислота |
| Гідроіодидна кислота | HI | ≈ -9.5 | Дуже сильна кислота |
| Органічні сильні кислоти | |||
| Трифтороцтова кислота | CF3COOH | ≈ 0.5 | Органічна сильніша кислота |
| Оксалова кислота (перший протон) | HO2CCO2H | ≈ 1.2 | Двохосновна органічна кислота |
| Помірні кислоти | |||
| Форміатна кислота | HCOOH | ≈ 3.75 | Простий карбоксилат |
| Нітрозна кислота | HNO2 | ≈ 3.25 | Безперехідна оксокислота |
| Оцтова кислота | CH3COOH | ≈ 4.76 | Типова карбоксильна кислота |
| Бензойна кислота | C6H5COOH | ≈ 4.2 | Ароматична карбоксильна кислота |
| Слабкі кислоти | |||
| Фенол | C6H5OH | ≈ 10 | Ароматичний спирт/кислота |
| Вода (як кислота) | H2O | ≈ 15.7 | Дуже слабка кислота |
| Етанол | CH3CH2OH | ≈ 15.9 | Органічний спирт |
| Амоніак | NH3 | ≈ 38 | Дуже слабка кислота (погано віддає H+) |
| Поліпротичні кислоти (кілька стадій) | |||
| Фосфорна кислота | H3PO4 | ≈ 2.16, 7.2, 12.3 | Трипротонна кислотність |
| Карбонатна кислота | H2CO3 | ≈ 6.35, 10.33 | Двохосновна кислота |
| Цитрусова кислота (1,2,3 позиції) | C6H8O7 | ≈ 3.13, 4.76, 6.40 | Трипротична органічна кислота |
| Малонова кислота (дві стадії) | HO2CCH2CO2H | ≈ 2.85, 5.70 | Органічна двохосновна кислота |
| Сірчиста кислота | H2SO3 | ≈ 1.85, 7.21 | Двохосновна неорганічна кислота |
| Сукцинова кислота | HO2CCH2CH2CO2H | ≈ 4.21, 5.64 | Двохосновна органічна кислота |
Пояснення та ключові тренди
- pKa вимірює кислотність: нижче значення → сильніша кислота.
- Дуже сильні кислоти деякі мають негативні pKa.
- Органічні кислоти зазвичай мають pKa від ~0 до ~12, залежно від структури.
- Вода і спирти — дуже слабкі кислоти з великими pKa.