Syrekonstanten

I kjemi og biokjemi er syrekonstanten (Ka) en spesifikk form for likevektskonstant som angir grad av dissosiasjon av hydrogen-ioner fra en syre (det vil si hvor godt den splitter H±ioner i mindre molekyler for å danne hydronium av en vannløsning). Likevekten er der hvor et proton overføres fra en syre, HA, til vann, H2O. Termen for vannkonsentrasjon, [H2O], blir utelatt fra det generelle uttrykket for likevektkonstant.

 HA(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + A–(aq)

 

Likevekten blir ofte skrevet i form av «H+(aq)», som gjenspeiler Bronsted-Lowry-teorien for syrer.

 HA(aq)  H+(aq) + A–(aq)

Fordi denne konstanten adskiller seg for hver syre og varierer over flere grader av størrelsesorden, blir syrekonstanten ofte angitt ved dets vanlige logaritmes additive invers som representeres ved symbolet pKa (og bruker den samme matematiske relasjonen som [H+] er til pH).

 pKa = −log10 KaGenerelt sett angir en større verdi av Ka (eller en mindre verdi av pKa) en sterkere syre siden graden av dissosiasjon er større ved den samme konsentrasjonen.

Ved å bruke syrekonstanten kan konsentrasjonen av syre, dens konjugerte base, protoner og hydroksid lett bli fastslått. Dersom en syre er delvis nøytralisert, kan Ka også bli brukt til å finne pH til den resulterende buffer. Den samme informasjon er oppsummert i Henderson-Hasselbalch-ligningen.

 Basekonstant for den konjugerte base 
Gjennom analogi kan man definere konstanten for basekonstanten Kb og pKb til den konjugerte base A–:

 

 pKb = −log10 Kb

Dette er dissosiasjonskonstanten for likevekten

 A–(aq) + H2O(l)  HA(aq) + OH–(aq)

Analogt til Ka, angir en økt verdi av Kb en sterkere base ettersom antallet protoner som aksepteres er større ved en identisk konsentrasjon.

Forholdet mellom syrekonstanten og basekonstanten 
Det eksisterer en relasjon mellom verdi av Ka for en syre HA og verdien av Kb for dens konjugerte base A–. Fordi addisjon av ioniseringsreaksjonen for HA og ioniseringsreaksjonen for A– alltid gir reaksjonen for selvionisering av vann, gir produktet av syre- og basekonstantene vanns dissosiasjonskonstant (Kw), som er 1,0 × 10−14 ved 25 °C. Med andre ord,

 KaKb = Kw
 pKa + pKb = pKw

Ettersom produktet av Ka og Kb forblir konstant, følger det at sterkere syrer har svakere konjugerte baser, mens svakere syrer har sterkere konjugerte baser.

Faktorer som avgjør syrer og basers relative styrke 
Ettersom den er en likevektkonstant blir syrekonstanten Ka bestemt av forskjellen i frie energier ΔG° mellom reagensene og produktene, særlig, mellom de protonerte (AH) og de-protonerte (A–)-tilstandene. Molekylære interaksjoner som favoriserer den deprotonerte (A–)-tilstanden framfor den protonerte (AH)-tilstanden vil øke Ka (fordi ratioen [A–]/[AH] øker) eller, tilsvarende, senke pKa. Omvendt vil molekylære interaksjoner som favoriserer den protonerte (AH)-tilstanden framfor den deprotonerte (A–)-tilstanden senke Ka (fordi ratioen [A–]/[AH] er lavere) eller, tilsvarende, øke pKa.

Anta for eksempel at den protonerte (AH)-formen donerer en hydrogen-binding AHX til et annet atom V, som den deprotonerte formen ikke kan (siden den ikke har mer hydrogen igjen). Den protonerte formen blir favorisert fordi den har en hydrogenbinding, så pKa øker (Ka synker). Størrelsen på pKa-forskyvningen kan til og med avgjøres utfra endringen i ΔG° ved bruk av ligningen
.

Andre molekylære interaksjoner kan også skifte pKa. Tillegg av en elektron-tilbaketrekkende kjemisk gruppe (slik som oksygen, et halid, en cyano-gruppe eller til og med en fenylring) til molekylet nær det titrerende hydrogenet vil favorisere den deprotonerte tilstanden (ved å stabilisere elektronet som etterlates når protonet dissosierer) og dermed senke pKa (høyne Ka). For eksempel fører suksessiv oksidasjon av hypoklorisk syre til stadig forhøyet Ka: HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4. Differansen i verdier av Ka mellom hypoklorisk syre HClO og perklorisk syre HClO4 er omtrentlig 11 grader av størrelsesorden (pKa-forskyvning på ~11). Elektrostatiske interaksjoner kan også påvirke likevekten. Nærværet av omgivende negative ladninger vil disfavorisere dannelsen av negativt ladede, deprotonerte arter og følgelig øke pKa. Særlig kan ioniseringen av en gruppe på et molekyl påvirke pKa til en annen.

Fumarsyre og maleisk syre er klassiske eksempler på forskyvninger i pKa. Begge molekyler har samme sammensetning ettersom de er to karboksylsyre-grupper adskilt av to karbonatomer med dobbeltbinding: fumarsyre er trans-isomer mens maleisk syre er cis-isomer. Utfra symmetri kan man forestille seg at de to karboksylsyrene hadde den samme
pKa, noe som typisk er ~4 for karboksylsyrer. Det stemmer nesten for fumarsyre, som har pKa-er på omtrent 3,5 og 4,5. Maleisk syre derimot har pKa-er på om lag 1,5 og 6,5. Når en av dens karboksylsyrer deprotoneres kan den andre danne en sterk hydrogenbinding til den. Totaleffekten blir at den deprotonerte tilstanden til den hydrogenbindings-mottakende gruppen favoriseres (senker dens pKa fra ~4 til 1,5) og at den protonerte tilstanden til den hydrogenbindings-avgivende gruppen favoriseres (høyner dens pKa fra ~4 til 6,5).

Viktigheten av pKa-verdier 
pKa-verdien(e) til en forbindelse påvirker mange av forbindelsens egenskaper slik som dens reaktivitet, solubilitet og spektrale egenskaper (farge). I biokjemien er pKa-verdiene til proteiner og aminosyrers sidekjeder av største viktighet for aktiviteten av enzymer og proteiners stabilitet.

Bestemmelse av syrekonstanten 
For syrer av svak til middels svak syrestyrke kan pKa bestemmes ved titrering, idet pKa = pH ved halvtitrerpunktet. For sterke syrer derimot er man avhengig av teoretiske beregninger. Til dels kan man basere seg på pKa-bestemmelser i andre løsningsmidler enn vann. Men ofte gir termodynamiske beregninger like gode verdier. Uansett er slike beregninger svært unøyaktige. Som et eksempel oppgis verdier for pKa til saltsyre som varierer mellom -3 og -8, noe som svarer til en faktor på 100 000 i Ka-verdier.
 Se også Metoder for beregning av pKa-verdier for proteiner

pKa til enkelte substanser 
Målinger er ved 25ºC i vann, unntatt de med negativ pKa:

 – 25,00: Fluoroantimonisk syre
 – 15,00: Supersyre
 – 10,00: Fluorosulfurisk syre
 – 10,00: Perklorisk syre
 – 10,00: Hydroiodisk syre
 – 9,00: Hydrobromisk syre
 – 8,00: Saltsyre
 – 3,00, 1,99: Svovelsyre
 – 2,00: Salpetersyre
 – 1,76: Hydroniumion
 3,15: Flussyre
 3,60: Karbonsyre
 3,75: Maursyre
 4,04: Ascorbinsyre (Vitamin C)
 4,19: Ravsyre
 4,20: Benzosyre
 4,63: Anilin*
 4,74: Eddiksyre
 4,76: Dihydrogencitration (Citrat)
 5,21: Pyridin*
 6,40: Monohydrogencitration (Citrat)
 6,99: Etylendiamin*
 7,00: Hydrogensulfid, Imidazole* (som en syre)
 7,50: Hypoklorøs syre
 9,25: Ammoniakk*
 9,33: Benzylamin*
 9,81: Trimetylamin*
 9,99: Fenol
 10,08: Etylendiamin*
 10,66: Metylamin*
 10,73: Dimetylamin*
 10,81: Etylamin*
 11,01: Trietylamin*
 11,09: Dietylamin*
 12,50: Guanidin*
 12,67: Monohydrogenfosfation (Fosfat)
 14,58: Imidazole (som en base)
 – 19,00 (pKb) Natriumamid
 37,00: LDA
 45,00: Propan
 50,00: Etan

* Opplistede verdier for ammoniakk og aminer er pKa-verdier for de korresponderende ammoniumioner.

Referanser

Litteratur 
 Atkins, Peter, og Loretta Jones. Chemical Principles: The Quest for Insight. 3. utg. New York: W. H. Freeman and Company, 2005

Se også
 Isoelektrisk punkt

Eksterne lenker 
 Bordwell pKa-tabell i DMSO
 Harvard University: Evans Group pKa-tabell (pdf)
 Shodor.org Syre-base-kjemi
 http://library.thinkquest.org/C006669/data/Chem/acidsbases/factors.html Faktorer som påvirker relativ styrke for syrer og baser]
 Purdue kjemi
 definisjon av «surhetskonstant» (pdf) (fra IUPAC «Gold Book»)
 Distribusjonsdiagrammer for syrer og baser (generert fra p-verdier med fritt regneark)
 pKa-utregningsprogramvare
 SPARC fysisk/kjemisk egenskaps-kalkulator

Syre-base kjemi
Termodynamikk