Moc kwasu

Moc kwasu – termin określający zdolność kwasu do dysocjacji na jon wodorowy H⁺ i anion reszty kwasowej. Miarą tej mocy jest zazwyczaj ujemny logarytm dziesiętny ze stałej dysocjacji kwasu (K_a) w danych warunkach, oznaczany skrótem pK_a^[1].

pK_a = –log[K_a]

gdzie K_a to stała dysocjacji kwasu.

Im pK_a jest mniejsze, tym moc kwasu jest większa.

Np. dla kwasu solnego w wodzie^[a]

HCl + H₂O ⇌ H₃O⁺ + Cl⁻

${\displaystyle K_{a}={\frac {[H_{3}O^{+}]\cdot [Cl^{-}]}{[HCl]}}\simeq 10^{7}}$

a zatem pK_a kwasu solnego w wodzie wynosi −7^[1][2].

Jednakże miary pK_a kwasu nie można stosować jako miary mocy bardzo stężonych i (przede wszystkim) bezwodnych kwasów, gdyż w takich warunkach ta wielkość przestaje oddawać realną moc kwasu (np. gdy jest więcej kwasu niż wody) lub traci sens (gdy nie ma w ogóle wody). W odniesieniu do mocnych kwasów, miary pK_a można stosować jedynie do rozcieńczonych roztworów, natomiast do roztworów stężonych stosuje się najczęściej funkcję kwasowości Hammetta. Pozwala ona stwierdzić, że stężony kwas siarkowy jest mocniejszy od kwasów solnego i azotowego, mimo że pK_a w roztworze rozcieńczonym przedstawia sytuację odwrotną^[3].

Moc kwasów w tych samych warunkach zewnętrznych zależy od ich struktury chemicznej. W przypadku prostych tlenowych kwasów nieorganicznych moc kwasu wzrasta wraz ze wzrostem elektroujemności centralnego atomu w reszcie kwasowej, natomiast dla kwasów beztlenowych zależność ta jest odwrotna^[1]. Moc kwasów karboksylowych wzrasta wraz z elektroujemnością grupy przyłączonej do reszty karboksylowej^[4].

^(x)pierwsza stała dysocjacji, pK_a1

W przypadku kwasów siarkowego i azotowego miara pK_a przedstawia jedynie ich moc w roztworach rozcieńczonych – moc tych kwasów stężonych i bezwodnych wyraża funkcja kwasowości Hammetta, która mówi, że są one mocniejsze m.in. od kwasu solnego, ponieważ występują w znacznie większych stężeniach^[3].

Kwasy wieloprotonowe (zawierające więcej niż jeden atom wodoru w cząsteczce) posiadają zwykle więcej wartości pK_a odpowiadające odrywaniu się kolejnych protonów (jonów wodorowych H⁺) w trakcie dysocjacji. Zazwyczaj pK_a pierwszego etapu dysocjacji jest znacznie mniejsze od pozostałych, a zatem można powiedzieć, że pierwszy odrywający się kation wodoru jest „bardziej kwaśny” od pozostałych. Np. dla kwasu fosforowego (H₃PO₄), pK_a1 = 2,12, pK_a2 = 7,21, pK_a3 = 12,67, odpowiadające równowagom:

H₃PO₄ + H₂O ⇌ H
2PO−
4 + H
3O+
    K₁=1,1×10⁻²

H
2PO−
4 + H₂O ⇌ HPO2−4 + H
3O+
    K₂=1,2×10⁻⁷

HPO2−
4 + H₂O ⇌ PO3−4 + H
3O+
      K₃=1,8×10⁻¹²

Wartość pK_a odpowiada wartości pH, dla której stężenie pozostających w równowadze cząsteczek kwasu na kolejnych stopniach dysocjacji jest takie samo, np.:

Moc kwasu określa m.in. zdolność do wypierania reszty kwasowej z soli w roztworach, a dokładnie decyduje o tym, w którą stronę jest przesunięta równowaga reakcji kwasu z daną solą. Kwas o większej mocy w reakcji z daną solą wypiera spontanicznie resztę kwasową pochodzącą ze słabszego kwasu, w wyniku czego powstaje słabszy kwas i sól mocnego kwasu. Reakcje w drugą stronę – tj. słabszego kwasu z solą mocniejszego kwasu też mogą zachodzić, ale ich równowaga jest silnie przesunięta w stronę substratów.