קבוע דיסוציאציה של חומצה

בכימיה, קבוע דיסוציאציה של חומצה (ידוע גם כקבוע חומציות או קבוע יינון חומצה; מסומן בתור K a {\displaystyle Ka} ) הוא מדד כמותי לחוזק של חומצה בתמיסה. זהו קבוע שיווי המשקל לתגובה הכימית: HA ↽ − − ⇀ A − + H + {\displaystyle {\ce {HA <=> A- + H+}}} המכונה דיסוציאציה בהקשר של תגובות חומצה-בסיס. הצורון הכימי HA {\displaystyle {\ce {HA}}} הוא חומצה שמתפרקת ל- A − {\displaystyle {\ce {A-}}} , הבסיס המצומד של החומצה, ויון המימן, H + {\displaystyle {\ce {H+}}} . אנו אומרים שהמערכת נמצאת בשיווי משקל כאשר ריכוזי רכיביה לא ישתנו עם הזמן, מכיוון שגם התגובה קדימה וגם אחורה מתרחשות באותו קצב. קבוע הדיסוציאציה מוגדר בתור: K a = [ A − ] [ H + ] [ H A ] {\displaystyle K_{\text{a}}=\mathrm {\frac {[A^{-}][H^{+}]}{[HA]}} } , או p K a = − log 10 ⁡ K a = log 10 ⁡ [ HA ] [ A − ] [ H + ] {\displaystyle \mathrm {p} K_{{\ce {a}}}=-\log _{10}K_{\text{a}}=\log _{10}{\frac {{\ce {[HA]}}}{[{\ce {A^-}}][{\ce {H+}}]}}} כאשר כמויות בסוגריים מרובעים מייצגות את ריכוזי הצורונים בשיווי משקל. כדוגמה פשוטה עבור חומצה חלשה עם Ka = 10-5, האקספוננט, log Ka, הוא 5-, משמע pKa = 5. עבור חומצה אצטית עם Ka = 1.8 x 10-5, ערך ה-pKa קרוב ל-5. Ka גבוה יותר מתאים לחומצה חזקה יותר שמתפרקת יותר בשיווי משקל. עבור הסולם הלוגריתמי הנוח יותר, pKa נמוך יותר פירושו חומצה חזקה יותר. על פי ההגדרה המולקולרית המקורית של ארניוס, חומצה היא חומר שמתפרק בתמיסה מימית ומשחרר את יון המימן H + {\displaystyle {\ce {H+}}} (פרוטון): HA ↽ − − ⇀ A − + H + {\displaystyle {\ce {HA <=> A- + H+}}} קבוע שיווי המשקל לתגובת הדיסוציאציה הזו ידוע בתור קבוע דיסוציאציה. הפרוטון המשוחרר מתחבר עם מולקולת מים כדי לתת יון הידרוניום, ולכן ארניוס הציע מאוחר יותר שיש לכתוב את הדיסוציאציה כתגובת חומצה-בסיס: HA + H 2 O ↽ − − ⇀ A − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {HA + H2O <=> A- + H3O+}}} ברונסטד ולאורי הכלילו זאת בהמשך לתגובה המבוססת על מסירה וקבלת פרוטונים, באמצעות חומצה HA ובסיס B: HA + B ↽ − − ⇀ A − + HB + {\displaystyle {\ce {HA + B <=> A- + HB+}}} החומצה תורמת פרוטון והופכת לבסיס מצומד; הפרוטון נתרם לבסיס, ויוצר חומצה מצומדת. עבור תמיסות מימיות של חומצה HA, הבסיס הוא מים; הבסיס המצומד הוא A − {\displaystyle {\ce {A-}}} והחומצה המצומדת היא יון ההידרוניום. הגדרת ברונסטד-לאורי חלה על ממיסים אחרים, כגון דימתיל סולפוקסיד. הממס S פועל כבסיס, מקבל פרוטון ויוצר את החומצה המצומדת SH + {\displaystyle {\ce {SH+}}} . HA + S ↽ − − ⇀ A − + SH + {\displaystyle {\ce {HA + S <=> A- + SH+}}} בכימיה של תמיסות מקובל להשתמש ב- H + {\displaystyle {\ce {H+}}} כקיצור של יון המימן המומס, ללא קשר לממס. בתמיסה מימית H + {\displaystyle {\ce {H+}}} מציין יון הידרוניום מומס ולא פרוטון. ייעוד חומצה או בסיס כ"מצומד" תלוי בהקשר. החומצה המצומדת BH + {\displaystyle {\ce {BH+}}} של הבסיס B {\displaystyle {\ce {B}}} מתפרקת לפי BH + + OH − ↽ − − ⇀ B + H 2 O {\displaystyle {\ce {BH+ + OH- <=> B + H2O}}} שהיא היפוך של תגובת שיווי המשקל H 2 O + B ↽ − − ⇀ OH − + BH + {\displaystyle {\ce {H2O + B <=> OH- + BH+}}} יון הידרוקסיד OH − {\displaystyle {\ce {OH-}}} , בסיס ידוע, פועל כאן כבסיס המצומד של המים החומציים. חומצות ובסיסים נחשבים לפיכך כתורמים ומקבלים של פרוטונים בהתאמה. הגדרה רחבה יותר של פירוק חומצה כוללת הידרוליזה, שבה פרוטונים מיוצרים על ידי פיצול מולקולות מים. לדוגמה, חומצה בורית ( B ( OH ) 3 {\displaystyle {\ce {B(OH)3}}} ) מייצרת H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3O+}}} כאילו הייתה תורמת פרוטונים, אבל זה אושר על ידי ספקטרוסקופיית ראמאן (אנ') שזה נובע משיווי משקל של תגובת ההידרוליזה: B ( OH ) 3 + 2 H 2 O ↽ − − ⇀ B ( OH ) 4 − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {B(OH)3 + 2H2O <=> B(OH)4- + H3O+}}} בדומה לכך, הידרוליזה של יוני מתכת גורמת ליונים כגון [ Al ( H 2 O ) 6 ] 3 + {\displaystyle {\ce {[Al(H2O)6]^3+}}} להתנהג כחומצות חלשות: [ Al ( H 2 O ) 6 ] 3 + + H 2 O ↽ − − ⇀ [ Al ( H 2 O ) 5 ( OH ) ] 2 + + H 3 O + {\displaystyle {\ce {[Al(H2O)6]^3+ + H2O <=> [Al(H2O)5(OH)]^2+ + H3O+}}} לפי ההגדרה המקורית של לואיס, חומצה היא חומר המקבל זוג אלקטרונים ליצירת קשרים קואורדינטיביים. יון המימן אינו קיים ככזה בתמיסה. הוא משתלב עם מולקולת ממס; כאשר הממס הוא מים נוצר יון הידרוניום בתגובה של השניים. תגובה זו היא כמותית ולכן ניתן להתעלם ממנה בהקשר של שיווי משקל כימי. Kenneth W. Whitten, General chemistry with qualitative analysis, Saunders College Pub., 1992, ISBN 978-0-03-075156-1 John William Hill, Ralph H. Petrucci, General chemistry : an integrated approach, Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall, 2002, ISBN 978-0-13-033445-9 Headrick, J.M.; Diken, E.G.; Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A.; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan, K.D. (2005). "Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in Water Clusters". Science. 308 (5729): 1765–69. Bibcode:2005Sci...308.1765H. doi:10.1126/science.1113094. PMID 15961665. S2CID 40852810. Smiechowski, M.; Stangret, J. (2006). "Proton hydration in aqueous solution: Fourier transform infrared studies of HDO spectra". J. Chem. Phys. 125 (20): 204508–204522. Bibcode:2006JChPh.125t4508S. doi:10.1063/1.2374891. PMID 17144716. Wayback Machine, web.archive.org, ‏2008-10-06 William L. Jolly, Modern inorganic chemistry, New York : McGraw-Hill, 1984, ISBN 978-0-07-032760-3