ثابت یونش اسید: ثابت تعادل برای یونش اسید در محلول آبی

بروزرسانی شده در: 8:34 1404/09/15 مشاهده: 7 دسته بندی: کپسول آموزشی

ثابت یونش اسید (Ka): کلید درک قدرت اسیدها

مقداری عددی که به شما می‌گوید یک اسید در آب تا چه اندازه به یون‌هایش تفکیک می‌شود. این مقاله به زبان ساده توضیح می‌دهد که Ka چیست، چگونه محاسبه می‌شود و چه کاربردی در دنیای شیمی دارد.

خلاصه: ثابت یونش اسید^[1] یا Ka یک مفهوم بنیادی در شیمی اسید و باز است که قدرت نسبی اسیدها را در محلول آبی اندازه‌گیری می‌کند. این ثابت در واقع نشان‌دهندهٔ تعادل شیمیایی بین مولکول‌های تفکیک‌نشدهٔ اسید و یون‌های حاصل از آن در آب است. هرچه مقدار Ka بزرگ‌تر باشد، اسید قوی‌تر است. درک این مفهوم برای دانش‌آموزان در سطوح مختلف، از بررسی سرکه^[2] تا پیش‌بینی نتایج یک واکنش خنثی‌سازی^[3]، حیاتی است.

اسیدها در آب چه می‌کنند؟ مقدمه‌ای بر تفکیک

وقتی یک اسید مانند اسید استیک (جزء اصلی سرکه) را در آب حل می‌کنیم، یک واکنش شیمیایی مهم رخ می‌دهد. مولکول‌های اسید با مولکول‌های آب برهمکنش کرده و پروتون^[4] ($H^+$) خود را به آن می‌دهند. به این فرآیند یونش یا تفکیک می‌گویند. نتیجه این است که از یک طرف یون هیدرونیوم^[5] ($H_3O^+$) و از طرف دیگر یون منفی (آنیون^[6]) مربوط به اسید تولید می‌شود.

برای اسید استیک^[7] این واکنش را اینگونه نشان می‌دهیم:

$CH_3COOH_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons CH_3COO^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}$

فلش دوطرفه ($\rightleftharpoons$) نکتهٔ کلیدی است. این علامت نشان می‌دهد که واکنش رفت و برگشت دارد. یعنی هم مولکول‌های اسید تفکیک می‌شوند و هم یون‌ها می‌توانند دوباره ترکیب شده و اسید و آب را بسازند. در یک لحظه، سرعت رفت و برگشت با هم برابر می‌شود و سیستم به حالت تعادل شیمیایی می‌رسد.

تعریف و رابطهٔ ریاضی Ka

در حالت تعادل، غلظت^[8] هر یک از مواد درگیر ثابت می‌ماند. ثابت یونش اسید (Ka) در واقع نسبت این غلظت‌های ثابت در حالت تعادل است. برای یک اسید عمومی (HA) که در آب تفکیک می‌شود، داریم:

$HA_{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons A^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}$
$K_a = \frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}$

در این رابطه:
[H₃O⁺]: غلظت یون هیدرونیوم در حالت تعادل (بر حسب مول بر لیتر).
[A^-]: غلظت یون باز مزدوج^[9] در حالت تعادل.
[HA]: غلظت اسید تفکیک‌نشده در حالت تعادل.
توجه کنید که غلظت آب (H₂O) به دلیل ثابت بودن زیاد آن، در عبارت Ka گنجانده نمی‌شود.

مقدار Ka یک ثابت است. برای هر اسید در دمای معین، این مقدار ثابت و منحصر به فرد است. مثلاً Ka اسید استیک در 25 درجه سانتی‌گراد تقریباً برابر $1.8 \times 10^{-5}$ است.

رابطهٔ Ka با قدرت اسید و pKa

ارزش اصلی Ka در این است که به ما می‌گوید یک اسید چقدر قوی است. تفسیر آن ساده است:

Ka بزرگ (مثلاً $10^5$ یا بیشتر): به معنای غلظت زیاد یون‌های H₃O⁺ و A^- در حالت تعادل است. یعنی اسید به میزان زیادی تفکیک شده است. چنین اسیدی، یک اسید قوی است (مانند HCl).
Ka کوچک (مثلاً $10^{-5}$ یا کمتر): به معنای غلظت کم یون‌ها و غالب بودن مولکول‌های تفکیک‌نشدهٔ اسید (HA) است. چنین اسیدی، یک اسید ضعیف است (مانند CH₃COOH).

از آنجایی که اعداد Ka می‌توانند بسیار بزرگ یا بسیار کوچک (مقادیر توانی منفی ده) باشند، برای راحتی کار از pKa استفاده می‌کنیم. pKa به سادگی لگاریتم منفی Ka بر مبنای 10 است:

$pKa = -\log_{10}(K_a)$

رابطهٔ قدرت اسید با pKa برعکس رابطهٔ آن با Ka است:
pKa کوچک‌تر = اسید قوی‌تر
pKa بزرگ‌تر = اسید ضعیف‌تر

مقایسه‌ای بین چند اسید مشهور:

نام اسید (فرمول)	مقدار Ka (حدوداً)	مقدار pKa	طبقه‌بندی قدرت
اسید کلریدریک (HCl)	$\sim 10^7$ (بسیار بزرگ)	-7	قوی
اسید فسفریک (H₃PO₄)	$7.5 \times 10^{-3}$	2.12	متوسط
اسید استیک (CH₃COOH)	$1.8 \times 10^{-5}$	4.74	ضعیف
اسید کربنیک (H₂CO₃)	$4.3 \times 10^{-7}$	6.37	ضعیف

کاربرد Ka در زندگی روزمره و صنعت

شاید بپرسید دانستن این عدد به چه دردی می‌خورد؟ پاسخ در همه جا یافت می‌شود!

مثال ۱: تنظیم اسیدیته در مواد غذایی و نوشیدنی‌ها. طعم ترش ماست، نوشابه یا آبلیمو مستقیماً به غلظت یون هیدرونیوم و در نتیجه به قدرت اسیدهای موجود در آن بستگی دارد. با دانستن Ka اسیدهای تشکیل‌دهنده (مثل اسید سیتریک^[10] در لیمو)، می‌توان طعم و ماندگاری محصول را به دقت کنترل کرد.

مثال ۲: سیستم بافر^[11] خون. خون شما یک محلول بافر شگفت‌انگیز است که pH آن باید همواره حدود 7.4 باقی بماند. این تنظیم دقیق توسط یک جفت اسید-باز مزدوج انجام می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها اسید کربنیک/بیکربنات است. معادله و مقدار Ka اسید کربنیک ($H_2CO_3$) نقشهٔ راه این سیستم نجات‌بخش بدن است.

مثال ۳: انتخاب اسید مناسب در صنعت. برای تمیز کردن سنگ‌های ساختمانی یا رسوب‌زدایی از دیگ‌های بخار، باید اسیدی انتخاب شود که هم مؤثر باشد و هم به مادهٔ اصلی آسیب نرساند. یک مهندس شیمی با بررسی Ka و خورندگی^[12] نسبی اسیدها، بهترین گزینه (مثلاً اسید فسفریک به جای اسید کلریدریک قوی) را انتخاب می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

سوال: آیا می‌توانیم Ka را برای یک اسید قوی مثل HCl هم محاسبه کنیم؟

پاسخ: به طور نظری بله، اما در عمل معمولاً این کار انجام نمی‌شود. زیرا اسیدهای قوی در آب کاملاً تفکیک می‌شوند. در محلول رقیق، تقریباً تمام مولکول‌های HCl به یون تبدیل شده‌اند. بنابراین در مخرج کسر Ka (یعنی [HA]) به صفر بسیار نزدیک می‌شود و نتیجه، عددی بسیار بزرگ (در حد بینهایت) می‌شود که گزارش آن چندان مفید نیست. به جای آن، برای اسیدهای قوی فرض می‌کنیم تفکیک 100% است.

سوال: اشتباه رایج: "اسیدی که Ka آن $10^{-2}$ است، دو برابر اسیدی با Ka=$10^{-4}$ قوی است." این جمله درست است؟

پاسخ: خیر، این یک اشتباه بزرگ است. مقیاس Ka (و pH و pKa) یک مقیاس لگاریتمی است. تفاوت یک واحدی در توان عدد 10، به معنای تفاوت ده برابری در قدرت اسید است. بنابراین اسیدی با Ka=$10^{-2}$، نه دو برابر، بلکه 100 برابر ($10^{-2} / 10^{-4} = 10^2$) از اسیدی با Ka=$10^{-4}$ قوی‌تر است. همیشه به مقیاس لگاریتمی توجه کنید.

سوال: تأثیر دما بر Ka چیست؟

پاسخ: Ka برای یک اسید خاص، فقط در دمای معین ثابت است. اگر دما تغییر کند، Ka نیز تغییر می‌کند. این به این دلیل است که تفکیک اسید یک فرآیند گرماگیر یا گرماده است و تغییر دما موقعیت تعادل شیمیایی را جابجا می‌کند. در جداول مرجع، مقدار Ka همیشه همراه با دمایی که در آن اندازه‌گیری شده است (معمولاً 25°C) ذکر می‌شود.

جمع‌بندی: ثابت یونش اسید (Ka) یک ابزار کمی قدرتمند در شیمی است که قدرت یک اسید ضعیف را در محلول آبی بیان می‌کند. این ثابت از قانون تعادل شیمیایی سرچشمه می‌گیرد و نسبت غلظت محصولات به واکنش‌دهنده‌ها در حالت تعادل را نشان می‌دهد. Ka بزرگ‌تر به معنای اسید قوی‌تر است. برای سهولت در مقایسه، از لگاریتم منفی آن یعنی pKa استفاده می‌شود که در آن pKa کوچک‌تر نشان‌دهندهٔ اسید قوی‌تر است. درک این مفهوم، کلید فهم پدیده‌هایی متنوع، از طعم ترش یک لیموناد تا تنظیم حیاتی pH خون است.

پاورقی

^[1] Acid Ionization Constant (Ka)
^[2] Vinegar
^[3] Neutralization Reaction
^[4] Proton: ذره‌ای با بار مثبت که در هستهٔ اتم هیدروژن یافت می‌شود. در شیمی اسید و باز، انتقال پروتون اساس کار است.
^[5] Hydronium Ion: یون $H_3O^+$ که از اتصال یک پروتون ($H^+$) به یک مولکول آب ($H_2O$) تشکیل می‌شود. در واقع شکل اصلی وجود پروتون در محلول آبی است.
^[6] Anion: یک یون با بار منفی.
^[7] Acetic Acid
^[8] Concentration: مقدار ماده حل‌شده در یک حجم معین از حلال، معمولاً بر حسب مول بر لیتر بیان می‌شود.
^[9] Conjugate Base: گونه‌ای که پس از از دست دادن یک پروتون توسط اسید (HA) باقی می‌ماند (A^-). هر اسید یک باز مزدوج دارد.
^[10] Citric Acid
^[11] Buffer: محلولی که در برابر تغییرات pH هنگام اضافه شدن مقادیر کمی اسید یا باز قوی مقاومت می‌کند. معمولاً از یک اسید ضعیف و باز مزدوج آن تشکیل شده است.
^[12] Corrosiveness

ثابت تعادل اسید ضعیف تفکیک اسید محاسبه pH شیمی آبی

ثابت یونش اسید (Acid Ionization Constant (Ka شیمی دوازدهم پایه دوازدهم

اطلاع از تغییرات در بسته‌های گاما

کاربر عزیز سلام!