酸碱平衡

酸度系数（英语：Acid dissociation constant，又名酸解离常数，代号Ka、pKa、pKa值），在化学及生物化学中，是指一个特定的平衡常数，以代表一种酸解离氢离子的能力。该平衡状况是指由一种酸（HA）中，将氢离子（即质子）转移至水（H2O）。水的浓度是不会在系数中显示的。一种酸的pKa越大则酸性越弱，pKa越小则酸性越强（反过来说，Ka值越大，解离度高，酸性越强，Ka值越小，部分解离，酸性越弱）。pKa<0的酸在水中是强酸，介于0与4.0之间为中强酸，其他为弱酸。离解的化学反应（酸的电离反应通式）为：平衡状况亦会以氢离子来表达，反映出酸质子理论：平衡常数的方程为：由于在不同的酸这个常数会有所不同，所以酸度系数会以常用对数的加法逆元，以符号pKa，来表示：在同一的浓度下，较大的Ka值（或较少的pKa值）离解的能力较强，代表较强的酸。一般来说，Ka>1（或pKa<0），则为强酸；Ka<10-4（或pKa>4），则为弱酸。利用酸度系数，可以容易的计算酸的浓度、共轭碱、质子及氢氧离子。如一种酸是部分中和，Ka值可以用来计算出缓冲溶液的pH值。在亨德森-哈塞尔巴尔赫方程亦可得出以上结论。由此类比，亦可以为共轭碱A–定义碱度系数Kb及pKb：以下是平衡状态的离解常数：同样的，较大的Kb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。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（Kw），故pKa与pKb的和即为pKw。其中Kw在25℃下为1.0 × 10-14，pKw为14。由于Ka与Kb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。作为一个平衡常数，酸度系数Ka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Ka值（因与的比增加），或是降低pKa值。相反的，分子作用偏向质子化状态时，Ka值会下降，或提升pKa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，pKa值随之而上升（Ka下降）。pKa值的转移量可以透过以下方程从ΔG°的改变来计算：其他的分子相互作用亦可以转移pKa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pKa值下降。例如将次氯酸连续氧化，就能得出不断上升的Ka值：HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4。次氯酸（HClO）与过氯酸（HClO4）Ka值的差约为11个数量级（约11个pKa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pKa值。这即是分子中的一组化学基的离子化，会影响另一组的pKa值。富马酸及马来酸是pKa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pKa值。在富马酸可以说是接近的推论，它的pKa值约为3.5及4.5。相反，马来酸却有着约1.5及6.5的pKa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）。pKa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pKa值是对酶的活跃性及蛋白质的稳定性十分重要。以下列出一些物质在25℃水下量度的pKa值，同时列出酸性强于高氯酸的质子酸的Ho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。