Cómo determinar el pH a partir de pKa

Sin duda ha oído hablar de la escala de pH, que se utiliza para medir qué tan ácida es una solución (por ejemplo, vinagre o lejía). Probablemente piense que los ácidos son ácidos (por ejemplo, el ácido cítrico es un ingrediente común en los caramelos ácidos) y, a veces, peligrosos (la mayoría de las personas aprenden a asociar la palabra “ácido” con “daño potencial en la piel” antes de llegar a la edad adulta, aunque solo sea de películas de Hollywood o informes de noticias nefastos).

Pero, ¿qué es un ácido químicamente hablando? ¿Y existen propiedades individuales de diferentes ácidos que faciliten la determinación del pH de una solución, siempre que conozca la concentración molar del ácido disuelto en esa solución? Ese rasgo de “firma” se llama constante de disociación ácida Kuna. A veces escrito informalmente como ka, puede calcular el pH de una manera matemáticamente sencilla.

Ácidos en solución

Un ácido es una molécula que puede donar un protón (y raramente, más de un protón en secuencia) en solución acuosa, es decir, cuando se disuelve en agua, para ionizarse. Esto significa que el protón (H+) se deja “flotar” entre las moléculas de agua, donde a menudo se representa como un Ion de hidronio (H3O+) debido a la capacidad del agua para aceptar estos protones donados. La molécula que queda es un anión.

Ejemplo: Ácido carbónico (H2CO3) dona un protón en solución acuosa para convertirse en H+ (a menudo expresado como H3O+) y bicarbonato (HCO3).

Los ácidos fuertes como el ácido clorhídrico (HCl) donan protones con más “entusiasmo” que los ácidos débiles, mucho más numerosos, lo que significa que pueden descargar protones incluso en un entorno de pH bajo, es decir, uno que ya es rico en protones y, por lo tanto, no está “ansioso”. “para tomar más. Los ácidos débiles solo están ansiosos por donar sus protones cuando el pH ambiental es alto, es decir, la concentración de protones es relativamente baja.

¿Qué es la escala de pH?

Arriba, leíste que un pH bajo implica un entorno con muchos protones liberados de sus ácidos parentales. Da la casualidad de que la escala de pH es una escala logarítmica o “logarítmica” que, para fines prácticos, varía de 1 a 14, de mayor a menor ácido. La ecuación del pH es:

pH = -log_ {10}[H^{+}]

Aquí, [H+] es la concentración molar (es decir, el número de moles, o átomos / moléculas individuales, por litro de solución) de protones. Cada aumento de diez veces en la concentración de protones impulsa el pH abajo por una unidad entera y viceversa.

Ejemplo: ¿Cuál es el pH de una solución de 0,025 M solución de protones?

pH = −log10[0.025 mol/L] = 1,602

La constante de ionización ácida Ka

Cada ácido tiene su propia constante de ionización, dada por:

K_ {a} = dfrac {[A^{−}][H_{3}O^{+}]} {[HA]}

Aquí, [A], [H3O+] y [HA] representan las concentraciones de equilibrio de ácido ionizado, protones y ácido no ionizado (es decir, “intacto”), respectivamente. Ka por lo tanto, ofrece una medida del “entusiasmo” de un ácido para descargar protones y, por lo tanto, es fuerza; cuanto más fuertemente disociado esté el ácido en equilibrio, mayor será el numerador en relación con el denominador en esta ecuación y mayor será la Ka.

Calcular el pH a partir de pKa: la ecuación de Henderson-Hasselbach

Puede calcular el pH de una solución dado el pKa del ácido y las concentraciones anteriores, excluidas las de los protones donados. Computación pKa de Ka significa realizar la misma operación que con el pH: tome el logaritmo negativo de Ka y ahí está tu respuesta.

La derivación está involucrada, pero la Ecuación de Henderson-Hasselbach relaciona estas cantidades de la siguiente manera:

pH = pKa + log_ {10} dfrac {[A^{-}]} {[HA]}

Ejemplo: La Ka de ácido acético, el componente principal del vinagre, es 1,77 × 10−5. ¿Cuál es el pH de una solución en la que se disocia 1/10 del ácido?

Para resolverlo, primero determine pKa, que es simplemente −log10(1,77 × 10−5) = 4,75. Luego use el hecho de que la razón de [A] a [HA} = 1/10 = 0.1

pH = 4.75 + log10 (0.1) = 4.75 + (−1) = 3.75

This means that at pH lower than acetic acid’s pKa, less than half will be dissociated, or ionized; at higher pH values, more than half will be ionized. Indeed, if you set [A −] = [HA], encuentra que el pKa de un ácido es simplemente el pH al que la mitad del ácido se disocia y la otra mitad está “intacta”.