• 1.摘要
  • 2.基本信息
  • 3.数值定义
  • 4.影响因素
  • 5.区别联系
  • 6.应用
  • 6.1.缓冲溶液
  • 6.2.生物化学
  • 7.数值例举
  • 8.参考资料

酸离解常数

酸解离平衡常数的常用对数的相反数

酸度系数(pKa),又名酸离解常数,是酸解离平衡常数的常用对数的相反数,其定义式为pKa=-lg(Ka)1。酸度系数是隶属于酸碱质子理论的概念,它反映了一种酸将质子传递给水,形成H3O+的能力,即反映了酸的强度。

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基本信息

  • 中文名

    酸度系数

  • 外文名

    Acidity coefficient;pKa

  • 别名

    pKa酸度系数;酸离解常数;

  • 代号

    Ka值

数值定义

一种酸的pKa越大则酸性越弱,pKa越小则酸性越强。pKa<0(一说为pKa<-1.76,即水合氢离子的pKa)的酸在水中是强酸,介于0与4.0之间为中强酸,其他为弱酸2

影响因素

酸的电离反应通式为:。

因此酸的pKa反映的是酸经由质子传递,转化为水合氢离子与共轭碱的难易程度3,这个程度由化学热力学过程决定,由公式可计算出pKa的值。

从定性角度分析,则可以通过下面的理论粗略比较酸中键能大小判断酸的酸性强弱:

在含氧酸中,中心原子所连接的非羟基氧(或氟,氯等电负性大的元素)越多,则-OH基团中电子云密度越小,氢越容易电离出。例如,高氯酸(三个非羟基氧)的酸性比氯酸(两个非羟基氧)强3

结合上面的理论,使用鲍林规则可以半定量地判断含氧酸的pKa,其理论是:多元含氧酸逐级电离常数之比约为10-5,即pKa差值为5;含氧酸的pKa与非羟基氧数量(N)有关,。由此可判断,无非羟基氧的酸为弱酸,有一个的为中强酸,两个或三个的为强酸3

含氧酸的中心原子R对其酸性有着重要影响,R的半径越小,电负性越大,氧化数越高,则R吸引电子的能力越强,降低了-OH上的电子云密度,使其容易电离。这个规则称为R-O-H规则3。使用离子势可以半定量地判断含氧酸的酸性大小,其计算公式为,其中z为中心阳离子电荷,r为中心阳离子半径。离子势反映了中心原子的极化作用强弱,离子势越高,酸性越强3

对于非含氧酸,可以结合HSAB理论进行理解。在HSAB中,氢离子是极硬的酸,因此与其结合的碱越软,则它们的键能越小,越容易电离。例如,氟离子为硬碱,碘离子为软碱,因此氟化氢的酸性远小于碘化氢1

分子的异构现象亦可对pKa造成影响2。例如反丁烯二酸与顺丁烯二酸的分子结构几乎完全相同,只是前者为反式结构,后者为顺式结构。顺丁烯二酸在一级电离时由于形成氢键,而使它比反丁烯二酸容易电离,二级电离时由于破坏氢键,使得它比反丁烯二酸难电离。

氢键也会对pKa有一定影响,例如前面所提到的氟化氢,其成为弱酸的原因不仅在于H-F键能相对较大,还在于其电离后由氢键形成了稳定的离子对,不能完全发挥出酸的作用。1

区别联系

在水溶液中由于酸及其共轭碱的电离作用就等同于水的自我离子化,酸度系数与碱度系数(pKb)的和就相等于水的离解常数(pKw),在25℃下pKa+pKb=pKw=144

由于Ka与Kb的积是一常数,较强的酸即代表较弱的共轭碱;较弱的酸,则代表较强的共轭碱4

应用

  • 判断质子溶剂中酸碱反应的方向与程度4,如强酸制弱酸,弱酸制更弱酸等。

  • 判断一种质子酸(可以电离出H+的酸)在一种质子溶剂(可结合H+的溶剂)中是否电离完全。若一种酸的pKa小于溶剂化质子(溶剂的共轭酸)的pKa,则这种酸在此溶液中可以视作完全电离。

  • 计算酸溶液的pH值、共轭碱的强度等4

  • 计算出缓冲溶液的pH值4,在亨德森-哈塞尔巴尔赫方程亦可得出以上结论。

缓冲溶液

缓冲溶液由弱酸HA与其酸根离子A-共同构成,其一大特点是,在被稀释或加入少量强酸/强碱时,其pH值几乎不变。酸度系数可实现缓冲溶液的相关计算4