酸度系数
共轭碱的碱度系数
由此类比,亦可以为共轭碱A 定义碱度系数 K b 及p K b :
以下是平衡状态的离解常数:
同样的,较大的 K b 值代表较强的碱,这是因在同一的浓度下可以接收更多的质子。
酸度系数与碱度系数的关系
由于HA与A 的电离作用就等同于水的自我离子化,酸度系数与碱度系数的积就相等于水的离解常数( K w ),故p K a 与p K b 的和即为p K w 。其中 K w 在25℃下为1.0 × 10 ,p K w 为14。
由于 K a 与 K b 的积是一常数,较强的酸即代表较弱的共轭碱;较弱的酸,则代表较强的共轭碱。
影响酸碱强度的因素
作为一个平衡常数,酸度系数 K a 是以反应物与化合物,更准确的应是质子化状态(AH)与脱质子化状态(A )的自由能差ΔG°来计算。分子的相互作用偏向脱质子化状态时会提升 K a 值(因[A ]与[AH]的比增加),或是降低p K a 值。相反的,分子作用偏向质子化状态时, K a 值会下降,或提升p K a 值。
举例假设AH在质子化状态下释放一个氢键给原子X,这个氢键在脱质子化状态下是欠缺的。因质子化状态有着氢键的优势,p K a 值随之而上升( K a 下降)。p K a 值的转移量可以透过以下方程式从ΔG°的改变来计算:
其他的分子相互作用亦可以转移p K a 值:只要在一个分子的滴定氢附近加入一个抽取电子的化学基(如氧、卤化物、氰基或甚至苯基),就能偏向脱质子化状态(当质子离解时须稳定余下的电子)使p K a 值下降。例如将次氯酸连续氧化,就能得出不断上升的 K a 值:HClO < HClO 2 < HClO 3 < HClO 4 。次氯酸(HClO)与过氯酸(HClO 4 ) K a 数量级差约为11个数量级(约11个p K a 值的转移)。静电的相互作用亦可对平衡状态有所影响,负电荷的存在会影响带负电、脱质子化物质的形成,从而提升了p K a 值。这即是分子中的一组化学基的离子化,会影响另一组的p K a 值。
富马酸及马来酸是p K a 值转移的经典例子。它们两者都有相同的分子结构,以两组双键碳原子来分隔两组羧酸。富马酸是反式异构体,而马来酸则是顺式异构体。按照其对称性,有人会想这两个羧酸拥有同样约为4的p K a 值。在富马酸可以说是接近的推论,它的p K a 值约为3.5及4.5。相反,马来酸却有着约1.5及6.5的p K a 值。这是因当其中一个羧酸脱质子化时,另一组却形成一强烈的氢键与它连合,整体上来说,这个改变偏向了脱质子化状态下接受氢键的羧酸(由约4降至1.5),及偏向质子化状态下放出氢键的羧酸(由约4上升至6.5)。
p K a 值的重要性
p K a 值会影响一物质的特征,例如活跃性、水溶性及光谱性质。在生物化学上,蛋白质及氨基酸侧链的p K a 值是对酶的活跃性及蛋白质的稳定性十分重要。
一般物质的p K a 值
以下列出一些物质在25℃水下量度的p K a 值,同时列出酸性强于高氯酸的质子酸的H o 值:
注:除硫酸外,上述p K a 值均为第一步电离的酸常数。 * 氨和胺基的数值是相应的氨离子的p K a 值。 ** 碳酸的浓度假定为碳酸与二氧化碳的浓度和。 *** 质子化能力高于高氯酸的质子酸所列数据为H o 值,高氯酸的H o 值为-13。
常见物质的pKa数值
有多种技术来确定化学物质的pKa值,导致不同来源之间存在一些差异。 测量值之间通常有0.1个单位的误差。下列物质的数据都是在25℃时水中测得。
参考文献
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