Zjišťování chemické rovnováhy pomocí pKa

Ve videu o mechanismech organických kyselin a zásad jsme se již mnohé naučili. Chci si to ale ještě jednou rychle zopakovat. Nalevo máme octovou kyselinu a s ní reaguje hydroxid. Tedy reakce kyseliny se zásadou. Zásada si vezme kyselý proton z kyseliny octové, a tím zanechá elektrony na kyslíku, čímž vzniká octanový anion. Pokud bychom protonovali OH minus, vznikla by voda. To by byly dva produkty této reakce. Zamysleme se nad zpětnou reakcí. Acetátový anion by fungoval jako zásada, vzal by si proton z vody a nechal by tam tyto elektrony. To by nám dalo zpátky kyselinu octovou a hydroxid. Takže pro zpětnou reakci acetátový anion funguje jako zásada a voda se chová jako kyselina. Tedy dává proton. Co kdybychom měli zjistit rovnovážnou konstantu dopředné reakce? Čemu se rovná rovnovážná konstanta této reakce? Tedy zajímá nás reakce, kdy sloučeniny nalevo jsou reaktanty a napravo produkty. Mohli bychom to zjistit jen pomocí hodnot pKa. Když známe hodnoty pKa pro dvě kyseliny v reakci, můžeme dopočítat její rovnovážnou konstantu. Musíme znát pKa kyseliny nalevo. Víme, že kyselina octová je tou kyselinou nalevo a má pKa zhruba 5. Napravo máme jakou kyselinu? Samozřejmě vodu. Jaká je hodnota pKa pro tento proton? Je to zhruba 16. Dosaďme tyto hodnoty do naší rovnice. Takže pKeq pro tuhle reakci se rovná pKa kyseliny nalevo, tedy zhruba 5, minus pKa kyseliny napravo, a to je zhruba 16. Pět minus šestnáct nám dává pKeq rovno minus 11. Jak přejdeme z pKeq na Keq? Můžeme to udělat, protože víme, že pKeq se rovná minus logaritmus Keq. Nejdříve tedy celou rovnici vynásobíme minus 1. Tím získáme, že minus pKeq se rovná logaritmu Keq. A jak se zbavím dekadického logaritmu? Obě strany dám do mocniny deseti. Když to udělám, zbavím nás logaritmu. Zjistili jsme tím, že se Keq rovná deset na minus pKeq. Musíme vzít výslednou hodnotu pro pKeq a dosadit jí sem do rovnice. Tím získáme Keq. Keq se rovná deset na minus... To záporné znaménko je tohle z deseti na minus pKeq ...minus jedenáct. Takže hledaná hodnota je deset na minus (minus jedenáctou). Minus a minus mi dá plus a vyjde deset na jedenáctou. Rovnovážná konstanta pro tuhle reakci je tedy rovna deset na jedenáctou. A my z obecné chemie už víme, co to znamená. Víme, že když je v rovnováze tato konstanta mnohem větší než 1, máme přítomno mnohem více produktů než reaktantů. Rovnováha tedy leží napravo a máme velké množství produktů, pokud to porovnáme s reaktanty. Pokud byste chtěli rychleji zjistit, kam je posunutá rovnováha, podívejte se na hodnoty pKa. Uvidíte že nalevo je to 5 a napravo je to 16. Teď jsme vypočítali, že je rovnováha posunutá napravo a proto rovnováha leží na té straně kde má kyselina větší hodnotu pKa. Takže se rovnováha posouvá ke slabší kyselině. Tedy takhle můžeme rychle pomocí hodnot pKa zjistit rovnováhu. Tady máme mechanismus jiné reakce, který jsme již dříve viděli. Aceton nalevo funguje jako zásada, proto si vezme proton z hydroniového aniontu a zanechá na kyslíku tyto elektrony. Hydronium se chová jako kyselina. Z acetonu se připojením protonu stává jeho konjugovaná kyselina. Pokud vezmete proton z hydronia, zůstane voda, takže voda musí být konjugovanou zásadou k hydroniu. Takže pro zpětnou reakci, když voda funguje jako zásada, vezme si tento proton a zanechá tyto elektrony na kyslíku, což nám dá aceton a také hydronium, H3O plus. Abychom mohli použít hodnoty pKa pro předpovězení pozice rovnováhy, musíme vědět pKa pro kyselinu nalevo a od toho odečteme pKa kyseliny napravo. Kyselina nalevo je hydronium a to má pKa asi minus dva. Kyselina napravo má pKa zhruba minus tři. Chceme najít pKeq pro dopřednou reakci, což znamená, že nalevo jsou reaktanty a napravo jsou produkty. pKeq se rovná pKa kyseliny nalevo, tedy −2, minus pKa kyseliny napravo, tedy −3. Minus dva minus minus tři je jedna. pKeq pro dopřednou reakci je plus jedna. Víme, jak najít Keq, protože v předchozím příkladu jsme viděli, že Keq se rovná deset na minus pKeq. Dosadíme sem naše pKeq, tedy jedna. Dostaneme, že Keq pro dopřednou reakci je rovno deset na minus první. Rovnovážná konstanta je zde menší než jedna, a my už víme, co to pro nás znamená. Znamená to, že rovnováha bude mít více reaktantů než produktů. Rovnováha reakce je posunutá nalevo. A máme tak více reaktantů než produktů. Mohli bychom na to přijít i kratší cestou, že? Mohli bychom se podívat na uvedené hodnoty pKa a říct si že nalevo máme minus dva a napravo minus tři. A víme, že rovnováha dá přednost kyselině s vyšší hodnotou pKa. Tedy přednostně se tvoří kyselina s vyšší hodnotou pKa. Musíme si dávat pozor, jelikož tu máme dvě záporné hodnoty. Ale minus dva je blíž nule než minus tři takže minus dva je vyšší hodnota pKa. A rovnováha vždy dá přednost vzniku kyseliny s vyšším pKa. Rovnováha chce vytvořit slabší kyselinu. Rovnováha je tedy posunuta nalevo. Toto je tedy rychlá cesta, jak přijít na pozici rovnováhy s použitím hodnot pKa.