Happovakio

Happovakio (Ka) kertoo kuinka suuri osa haposta protolysoituu kyseisen hapon vesiliuoksessa eli kuinka vahva happo on. Happovakion symboli on  Ka, ja se on protolyysireaktion tasapainovakio: HA(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + A–(aq). Tämän reaktion tasapainovakio on

. Kun tämä yhtälö kerrotaan puolittain [H2O]:lla, saadaan .

Usein on helpompi käyttää happovakion negatiivista kymmenkantaista logaritmia 

Mitä suurempi Ka on, sitä vahvempi happo on kyseessä. Tämä johtuu siitä että osoittaja on suurempi kuin nimittäjä, eli lopputuotteiden konsentraatio on suurempi kuin lähtötuotteiden. Ka:n ollessa suuri, happo siis ionisoituu voimakkaasti. Jos happovakio on < 1, sanotaan hapon olevan heikko, muulloin happo on vahva.

Hapon ja sen konjugaattiemäksen välillä on suhde. Kun happovakion arvo on suuri, sen vastinemäksen emäsvakio on pieni. Happovakion ja sen vastinemäksen tulo on veden ionitulo: 

Happovakion kymmenkantaisella logaritmilla on myös suhde 

Happo luovuttaa protonin sellaisen hapon konjugaattiemäkselle, jolla on korkeampi pKa. Toisin sanoen happojen pKa-arvoja vertailemalla voidaan selvittää happo-emäs reaktion suunta eli missä sen tasapaino on. Esimerkiksi etikkahappo luovuttaa protonin OH--ionille, koska sitä vastaavan hapon, veden pKa (=15,74) on suurempi kuin etikkahapon (4,76). Reaktio tapahtuu vasemmalta oikealle ja sen tasapaino on oikealla reaktiotuotteiden puolella.

Tekijät jotka vaikuttavat happovoimakkuuteen 

Yhdisteen X-H happamuuteen vaikuttaa X:n elektronegatiivisuus. Esimerkiksi yhdisteiden CH4, NH3, H2O ja HF happamuus perustuu alkuaineiden C, N, O ja F elektronegatiivisuuksiin. Kun atomin X elektronegatiivisuus kasvaa, myös X-H-sidoksen polaarisuus kasvaa, jolloin protoni irtoaa helpommin (ts. haposta tulee vahvempi). Mitä elektronegatiivisempi atomi X on (ts, mitä vahvempi happo XH), sitä heikompi on emäs :X-.

Happovoimakkuuteen vaikuttaa myös atomin koko ja syntyvän anionin (:X-) stabiilisuus. Mitä pysyvämpi anioni, sitä voimakkaampi happo. Esim. mitä isompi anioni, sitä laajemmalle alueelle negatiivinen varaus voi jakaantua, jolloin sähköinen potentiaalienergia on pieni ja anionin muodostuminen edullista. Vetyhalidien (HF, HCl, HBr, HI) happovoimakkuudet kasvavatkin halidin koon kasvaessa.

X-H-sidoksen happamuuteen vaikuttaa myös atomin X hybridisaatio. Kun X:n hybridisaatio muuttuu sp3 → sp2 → sp, X-H -sidos muuttuu happamammaksi. Hybridisaation vaikutus nähdään esim. yhdistesarjassa: etaani (sp3-hybridisoitunut), eteeni (sp2-hybridisoitunut) ja etyyni (sp-hybridisoitunut), joita vastaavat pKa-arvot ovat 50 (sp3), 44 (sp2) ja 25 (sp). Kun atomin hybridisaatio muuttuu sp3→sp2 →sp, orbitaalin s-luonne kasvaa vastaavasti 25 % → 33 % → 50%. Kasvava s-luonne vaikuttaa X-H sidokseen heikentäen sitä, koska elektronit sitoutuvat voimakkaammin X-atomin ytimeen ja heikommin protoniin.

Myös hapon konjugaatiemäksen resonanssi vaikuttaa happamuuteen. Esimerkiksi happihappojen happamuus kasvaa sitoutuneiden happiatomien määrän lisääntyessä, koska anionin varaus jakaantuu resonanssin ansiosta tasan kaikkien happien kesken. Mitä enemmän hapossa on happea, sitä voimakkaampi happo. Perkloorihappo HClO4 on erittäin vahva happo, koska sen konjugaattiemäs, perkloraatti-anioni ClO4₋, voidaan esittää neljänä resonanssimuotona, jotka tekevät anionista erittäin stabiloidun.

Happamuuteen vaikuttaa myös induktiivinen efekti. Yleisesti molekyylissä oleva σ-elektroneja luovuttava ryhmä lisää emäksisyyttä ja vähentää happamuutta. Vastaavasti elektroneja puoleensavetävän ryhmä vähentää emäksisyyttä ja lisää happamuutta. Esimerkiksi halogenoidut alkoholit ja karboksyylihapot ovat huomattavasti vahvempia happoja kuin halogenoimattomat analoginsa. Esimerkiksi etikkahapon pKa-arvo on 4,76, kun kloorietikkahapon, dikloorietikkahapon ja trikloorietikkahapon pKa-arvot ovat 2,86, 1,48 ja 0,70. Kloorattujen etikkahappojen voimakkaasti elektronegatiivinen ja elektroneja puoleensavetävä klooriatomi stabiloi karboksylaattianionin muodostumista induktiivisen efektin vuoksi. Metyyli ja muut alkyyliryhmät ovat elektroneja luovuttavia. Siksi etikkahappo on vähemmän hapan kuin metaanihappo.

Katso myös 
 Emäsvakio
 Protolysoitumisaste
 Veden ionitulo

Lähteet 

Kemialliset ominaisuudet