1.19: Hur man förutsäger resultatet av en syra-basreaktion

A: Definition av surhetskonstanten

Du är säkert medveten om att vissa syror är starkare än andra. Den relativa surheten hos olika föreningar eller funktionella grupper – med andra ord deras relativa förmåga att avge en proton till en gemensam bas under identiska förhållanden – kvantifieras av ett tal som kallas surhetskonstanten, förkortat Ka. Den gemensamma basen som valts för jämförelsen är vatten.

Vi kommer att betrakta ättiksyra som vårt första exempel. Om vi gör en utspädd lösning av ättiksyra i vatten uppstår en syra-basreaktion mellan syran (protondonator) och vattnet (protonacceptor).

Ättiksyra är en svag syra, så jämvikten gynnar reaktanterna framför produkterna – det är termodynamiskt ”uppåt”, vilket indikeras i figuren ovan av den relativa längden på pilarna för den framåtriktade och den bakåtriktade reaktionen, och i reaktionskoordinatdiagrammet nedan där produkterna har högre energi än reaktanterna.

Som ni vet definieras jämviktskonstanten Keq som:

Alla uttryck för jämviktskonstanter är i själva verket en kvot mellan aktiviteterna hos alla arter som deltar i reaktionen. För att undvika användningen av aktiviteter, och för att förenkla experimentella mätningar, approximerar koncentrationernas jämviktskonstant aktiviteterna hos lösta ämnen och gaser i utspädda lösningar med deras respektive molariteter. Aktiviteterna hos fasta ämnen, rena vätskor och lösningsmedel approximeras dock inte med deras moläritet. Istället definieras dessa aktiviteter så att de har ett värde som är lika med 1 (ett).

Om vi alltså erkänner att vattnets aktivitet i en utspädd lösning approximeras med värdet ett (1), kan vi dividera med 1 för att få den vanliga formen av uttrycket för Ka, syrakonstanten för ättiksyra:

\}{(1)} = \dfrac{}{} \]

För en utspädd vattenlösning kan vattnets aktivitet approximeras med värdet 1, så den generiska dissociationskonstanten för en given syra HA eller HB+ uttrycks som:

Värdet för Ka för ättiksyra är 1.75 x 10-5 – mycket mindre än 1, vilket tyder på att det finns mycket mer ättiksyra i lösningen vid jämvikt än acetat- och hydroniumjoner.

Omvänt genomgår svavelsyra, med ett Ka på cirka 109, eller saltsyra, med ett Ka på cirka 107, båda i princip fullständig dissociation i vatten: de är mycket starka syror.

En siffra som 1,75 x 10- 5 är inte särskilt lätt vare sig att säga, komma ihåg eller visualisera, så kemister brukar använda en bekvämare term för att uttrycka relativ surhet. En syras pKa-värde är helt enkelt log (bas 10) av dess Ka-värde.

pKa = -log Ka Ka = 10-pKa

Om vi räknar på det får vi reda på att ättiksyrans pKa är 4,8. Svavelsyrans pKa är -10 och saltsyrans pKa är -7. Användningen av pKa-värden gör det möjligt att uttrycka den relativa surheten hos vanliga föreningar och funktionella grupper på en numerisk skala från cirka -10 (för en mycket stark syra) till 50 (för en förening som inte är sur alls). Ju lägre pKa-värdet är, desto starkare är syran.

De joniserbara (protonavgivande eller protonacceptans) funktionella grupper som är relevanta för biologisk organisk kemi har i allmänhet pKa-värden som sträcker sig från ca 5 till ca 20. De viktigaste av dessa sammanfattas nedan, med mycket grova pKa-värden för de konjugerade syraformerna. Mer sura grupper med pKa-värden nära noll finns också med som referens.

Du rekommenderas starkt att memorera dessa grova värden nu – om du sedan behöver ett mer exakt värde kan du alltid slå upp det i en pKa-tabell.

Med kännedom om pKa-värdena kan vi inte bara jämföra syrastyrka, utan även basstyrka. Den viktigaste idén att komma ihåg är följande: ju starkare den konjugerade syran är, desto svagare är den konjugerade basen. Vi kan avgöra att hydroxidjonen är en starkare bas än ammoniak (NH3), eftersom ammoniumjonen (NH4+, pKa = 9,2) är en starkare syra än vatten (pKa = 14,0).