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 \(K_a\). Den gemensamma bas 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”. Detta indikeras i figuren ovan av den relativa längden på de framåtriktade och bakåtriktade reaktionspilarna.
Jämviktskonstanten \(K_{eq}\) definieras som:
\}{} = \frac{}{}\}\]
Håll dig i minnet att det här är en utspädd vattenlösning: vi har tillsatt en liten mängd ättiksyra till en stor mängd vatten. Under reaktionsförloppet förändras därför koncentrationen av vatten (cirka 55,6 mol/L) mycket lite och kan behandlas som en konstant.
Om vi flyttar den konstanta termen för koncentrationen av vatten till vänster i uttrycket för jämviktskonstanten får vi uttrycket för \(K_a\), syrakonstanten för ättiksyra:
\ = \frac{}{}\\]
I mer allmänna termer uttrycks dissociationskonstanten för en given syra HA eller HB+ som:
Värdet för \(K_a\) för ättiksyra är \(1.75 \ gånger 10^{-5}\) – mycket mindre än \(1\), vilket tyder på att det finns mycket mer ättiksyra i lösning vid jämvikt än acetat och hydroniumjoner.
Omvänt genomgår svavelsyra, med en \(K_a\) på ungefär \(10^9\), eller saltsyra, med en \(K_a\) på ungefär \(10^7\), båda i stort sett fullständig dissociation i vatten: de är mycket starka syror.
En siffra som \(1,75 \ gånger 10^{- 5}\) är inte särskilt lätt att säga, komma ihåg eller visualisera, så kemister brukar använda en bekvämare term för att uttrycka relativ surhet. Värdet \(pK_a\) för en syra är helt enkelt logaritmen (bas 10) av dess \(K_a\)-värde.
\
Vid matematiken finner vi att \(pK_a\) för ättiksyra är \(4,8\). \(pK_a\) för svavelsyra är -10 och för saltsyra är -7. Användningen av \(pK_a\)-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 \(pK_a\)-värdet är, desto starkare är syran.
De joniserbara (protonavgivande eller -acceptande) funktionella grupper som är relevanta för biologisk organisk kemi har i allmänhet \(pK_a\)-värden som sträcker sig från ca 5 till ca 20. De viktigaste av dessa sammanfattas nedan, med mycket grova \(pK_a\)-värden för de konjugerade syraformerna. Mer sura grupper med \(pK_a\)-värden nära noll finns också med som referens.
Typiska \(pK_a\)-värden
| grupp | ungefärliga \(pK_a\) |
|---|---|
| hydroniumjon | 0 |
| protonerad alkohol | 0 |
| protonerad karbonyl | 0 |
| karboxylsyror | 5 |
| protonerade aminer | 7 |
| protonerade aminer | 10 |
| fenoler | 10 |
| tioler | 10 |
| alkoholer, vatten | 15 |
| \(\alpha\)-kolväten * | 20 |
*\(\alpha\)-kolväten förklaras i avsnitt 7.6A
Det är starkt rekommenderat att nu lägga dessa grova värden i minnet – om du sedan behöver ett mer exakt värde kan du alltid slå upp det i en mer komplett \(pK_a\)-tabell. Bilagan till den här boken innehåller en mer detaljerad tabell med typiska \(pK_a\)-värden, och mycket mer kompletta tabeller finns i källor som Handbook of Chemistry and Physics.
\(pK_a\) vs. \(pH\)
Det är viktigt att inse att \(pK_a\) inte är samma sak som \(pH\): den förstnämnda är en inneboende egenskap hos en förening eller funktionell grupp, medan den sistnämnda är ett mått på hydroniumjonkoncentrationen i en given vattenlösning:
\\]
Vid kännedom om \(pK_a\)-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 fastställa att hydroxidjonen är en starkare bas än ammoniak (\(NH_3\)), eftersom ammoniumjonen (\(NH4^+\), \(pK_a = 9.2\)) är en starkare syra än vatten (\(pK_a = 15.7\)).
Övningsuppgift \(\(\PageIndex{1}\)
Vad är den starkare basen, \(CH_3O^-\) eller \(CH_3S^-\)? Acetatjon eller ammoniak? Hydroxidjon eller acetatjon?
Låt oss använda vår förståelse av begreppet \(pK_a\) i samband med en mer komplex molekyl. Vad är till exempel \(pK_a\) för föreningen nedan?
Vi måste utvärdera den potentiella surheten hos fyra olika typer av protoner på molekylen och hitta den mest sura. De aromatiska protonerna är inte alla sura – deras \(pK_a\) är ungefär 45. Amingruppen är inte heller sur, dess \(pK_a\) är cirka 35. (Kom ihåg att oladdade aminer är basiska: det är positivt laddade protonerade aminer, med \(pK_a\)-värden runt 10, som är svagt sura.) Alkoholprotonen har ett \(pK_a\) på cirka 15 och fenolprotonen har ett \(pK_a\) på cirka 10: den mest sura gruppen på molekylen ovan är alltså fenolen. (Se till att du kan känna igen skillnaden mellan en fenol och en alkohol – kom ihåg att i en fenol är \(OH\)-gruppen bunden direkt till den aromatiska ringen). Om denna molekyl skulle reagera med en molär ekvivalent av en stark bas, t.ex. natriumhydroxid, är det fenolprotonen som skulle doneras för att bilda en fenolatanjon.
Övningsuppgift \(\PageIndex{2}\)
Identifiera den mest sura funktionella gruppen på var och en av molekylerna nedan och ange dess ungefärliga \(pK_a\).
