Happovakio

**Happovakio** (*K*a) kertoo, kuinka suuri osa haposta protolysoituu kyseisen hapon vesiliuoksessa eli kuinka vahva happo on. Happovakion symboli on **''K''<sub>a</sub>**, ja se on protolyysireaktion tasapainovakio: HA (aq) + H2O (l)  H3O+ (aq) + A&ndash; (aq). Tämän reaktion tasapainovakio on
K = \frac{[\mbox{H}_3\mbox{O}^+][\mbox{A}^- ]} {[\mbox{HA}][\mbox{H}_2\mbox{O}]}. Kun tämä yhtälö kerrotaan puolittain [H2O]:lla, saadaan K[\mbox{H}_2\mbox{O}] = \frac{[\mbox{H}_3\mbox{O}^+][\mbox{A}^- ]} {[\mbox{HA}]} = K_a.

Usein on helpompi käyttää happovakion negatiivista kymmenkantaista logaritmia pK_a = -\log_{10} K_a.

Mitä suurempi happovakio (*K*a) on, sitä vahvempi happo on kyseessä. Tämä johtuu siitä, että osoittaja on suurempi kuin nimittäjä, eli lopputuotteiden konsentraatio on suurempi kuin lähtöaineiden. *K*a:n ollessa suuri, happo siis ionisoituu voimakkaasti. Jos happovakio on pienempi kuin 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: 

K_a \cdot K_b = K_w = 1 \cdot {10}^{-14}.

Happovakion kymmenkantaisella logaritmilla on myös suhde: pK_a + pK_b = 14.

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

## Happovahvuuteen vaikuttavia tekijöitä

Yhdisteen X-H happamuuteen vaikuttaa X:n elektronegatiivisuus. Esimerkiksi yhdisteiden CH<sub>4</sub>, NH<sub>3</sub>, H<sub>2</sub>O 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 eli 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. Esimerkiksi 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 halogeenin 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 esimerkiksi yhdistesarjassa: etaani (sp3-hybridisoitunut), eteeni (sp2-hybridisoitunut) ja etyyni (sp-hybridisoitunut), joita vastaavat p*K*a-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 on. Perkloorihappo (HClO4) on erittäin vahva happo, koska sen konjugaattiemäs, perkloraattianioni (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 puoleensavetävä ryhmä vähentää emäksisyyttä ja lisää happamuutta. Esimerkiksi halogenoidut alkoholit ja karboksyylihapot ovat huomattavasti vahvempia happoja kuin halogenoimattomat analoginsa. Esimerkiksi etikkahapon p*K*a-arvo on 4,76, kun kloorietikkahapon, dikloorietikkahapon ja trikloorietikkahapon p*K*a-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 muurahaishappo.

## Katso myös
* emäsvakio
* protolysoitumisaste
* veden ionitulo

## Lähteet