酸度系数

酸度系數（英語：Acid dissociation constant，又名酸解離常数，代號K_a、pK_a、pK_a值），在化學及生物化學中，是指一個特定的平衡常數，以代表一種酸解離氫離子的能力。

該平衡狀況是指由一種酸（HA）中，將氫離子（即質子）轉移至水（H₂O）。水的濃度[H₂O]是不會在系數中顯示的。一种酸的pK_a越大则酸性越弱，pK_a越小则酸性越强（反過來說，K_a值越大，解離度高，酸性越強，K_a值越小，部份解離，酸性越弱）。pK_a<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。離解的化學反應（酸的电离反应通式）為：

{\mbox{HA}}_{\mbox{ (aq)}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}_{\mbox{ (l)}}\leftrightarrow {\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}_{\mbox{ (aq)}}^{+}+{\mbox{A}}_{\mbox{ (aq)}}^{-}

平衡狀況亦會以氫離子來表達，反映出酸質子理論：

{\mbox{HA}}_{\mbox{ (aq)}}\leftrightarrow {\mbox{H}}_{\mbox{ (aq)}}^{+}+{\mbox{A}}_{\mbox{ (aq)}}^{-}

平衡常數的方程式為：

K_{a}={\frac {[{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}][{\mbox{A}}^{-}]}{[{\mbox{HA}}]}}

由於在不同的酸這個常數會有所不同，所以酸度系數會以常用對數的加法逆元，以符號pK_a，來表示：

{\mbox{p}}K_{\mbox{a}}=-\log _{10}{K_{\mbox{a}}}\,\!

在同一的濃度下，較大的K_a值（或較少的pK_a值）離解的能力較強，代表較強的酸。一般来说，K_a>1（或pK_a<0），则為強酸；K_a<10^-4（或pK_a>4），则為弱酸。

利用酸度系數，可以容易的計算酸的濃度、共軛鹼、質子及氫氧離子。如一種酸是部份中和，K_a值可以用來計算出緩衝溶液的pH值。在亨德森-哈塞爾巴爾赫方程亦可得出以上結論。

乙酸(醋酸)一種弱酸，捐出質子（氫離子，以綠色顯示），以水的化學平衡（可逆反應）反應給出乙酸根離子和氫離子，紅色：氧，黑：碳，白：氫。

共軛鹼的鹼度系數

由此類比，亦可以為共軛鹼A^–定義鹼度系數K_b及pK_b：

K_{b}={\frac {[{\mbox{HA}}][{\mbox{OH}}^{-}]}{[{\mbox{A}}^{-}]}}

{\mbox{p}}K_{\mbox{b}}=-\log _{10}{K_{\mbox{b}}}\,\!

以下是平衡狀態的離解常數：

{\mbox{A}}_{\mbox{ (aq)}}^{-}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}_{\mbox{ (l)}}\leftrightarrow {\mbox{HA}}_{\mbox{ (aq)}}+{\mbox{OH}}_{\mbox{ (aq)}}^{-}

同樣的，較大的K_b值代表較強的鹼，這是因在同一的濃度下可以接收更多的質子。

酸度系數與鹼度系數的關係

由於HA與A^–的電離作用就等同於水的自我離子化，酸度系數與鹼度系數的積就相等於水的離解常數（K_w），故pK_a與pK_b的和即為pK_w。其中K_w在25℃下為1.0 × 10^-14，pK_w為14。

K_{\mbox{a}}K_{\mbox{b}}=K_{\mbox{w}}\,\!

{\mbox{p}}K_{\mbox{a}}+{\mbox{p}}K_{\mbox{b}}={\mbox{p}}K_{\mbox{w}}\,\!

由於K_a與K_b的積是一常數，較強的酸即代表較弱的共軛鹼；較弱的酸，則代表較強的共軛鹼。

影響酸鹼強度的因素

作為一個平衡常數，酸度系數K_a是以反應物與化合物，更準確的應是質子化狀態（AH）與脫質子化狀態（A^–）的自由能差ΔG°來計算。分子的相互作用偏向脫質子化狀態時會提升K_a值（因[A^–]與[AH]的比增加），或是降低pK_a值。相反的，分子作用偏向質子化狀態時，K_a值會下降，或提升pK_a值。

舉例假設AH在質子化狀態下釋放一個氫鍵給原子X，這個氫鍵在脫質子化狀態下是欠缺的。因質子化狀態有著氫鍵的優勢，pK_a值隨之而上升（K_a下降）。pK_a值的轉移量可以透過以下方程式從ΔG°的改變來計算：

K_{a}=e^{-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}}

其他的分子相互作用亦可以轉移pK_a值：只要在一個分子的滴定氫附近加入一個抽取電子的化學基（如氧、鹵化物、氰基或甚至苯基），就能偏向脫質子化狀態（當質子離解時須穩定餘下的電子）使pK_a值下降。例如將次氯酸連續氧化，就能得出不斷上升的K_a值：HClO < HClO₂ < HClO₃ < HClO₄。次氯酸（HClO）與過氯酸（HClO₄）K_a值的差約為11個數量級（約11個pK_a值的轉移）。靜電的相互作用亦可對平衡狀態有所影響，負電荷的存在會影響帶負電、脫質子化物質的形成，從而提升了pK_a值。這即是分子中的一組化學基的離子化，會影響另一組的pK_a值。

富馬酸及馬來酸是pK_a值轉移的經典例子。它們兩者都有相同的分子結構，以兩組雙鍵碳原子來分隔兩組羧酸。富馬酸是反式異構體，而馬來酸則是順式異構體。按照其對稱性，有人會想這兩個羧酸擁有同樣約為4的pK_a值。在富馬酸可以說是接近的推論，它的pK_a值約為3.5及4.5。相反，馬來酸卻有著約1.5及6.5的pK_a值。這是因當其中一個羧酸脫質子化時，另一組卻形成一強烈的氫鍵與它連合，整體上來說，這個改變偏向了脫質子化狀態下接受氫鍵的羧酸（由約4降至1.5），及偏向質子化狀態下放出氫鍵的羧酸（由約4上升至6.5）。

pK_a值的重要性

pK_a值會影響一物質的特徵，例如活躍性、水溶性及光譜性質。在生物化學上，蛋白質及胺基酸側鏈的pK_a值是對酶的活躍性及蛋白質的穩定性十分重要。

一般物質的pK_a值

以下列出一些物質在25℃水下量度的pK_a值，同时列出酸性强于高氯酸的质子酸的H₀值：

物質名稱	化學式	pK_a	pK_a₂	pK_a₃	H₀
&	-9
Zz	9
氟銻酸	HSbF₆	-25.00			-31.3
魔酸	HSbF₆SO₃	-19.20
碳硼烷酸	H(CHB₁₁Cl₁₁)	-12.00			-18
氟磺酸	HSO₃F	-10.00			-15.1
高氯酸	HClO₄	-10.00			-13
氫碘酸	HI	-9.48
氫溴酸	HBr	-9.00
鹽酸	HCl	-8.00
硫酸	H₂SO₄	-3.00	1.99		-12
硝酸	HNO₃	-2.00
水合氫離子	H₃O⁺	-1.76
氨基磺酸	HSO₃NH₂	-1
三氟乙酸	CF₃COOH	0.23
三氯乙酸	CCl₃COOH	0.64
草酸	H₂C₂O₄	1.38	4.28
磷酸	H₃PO₄	2.12	7.21	12.67
葉酸	C₁₉H₁₉N₇O₆	2.3	8.3
檸檬酸	C₆H₈O₇	3.09	4.76	6.40
氫氟酸	HF	3.18
甲酸	HCOOH	3.75
抗壞血酸（維生素C）	C₆H₈O₆	4.04
琥珀酸	C₄H₆O₄	4.19
苯甲酸	C₆H₅COOH	4.20
苯胺*	C₆H₇N	4.63
乙酸（醋酸）	CH₃COOH	4.75
吡啶*		5.21
碳酸*	H₂CO₃	6.35	10.32
ATP		6.5
乙二胺*		6.99
咪唑*（作為酸）		7.00
硫化氫*	H₂S	7.00	19.0
次氯酸	HOCl	7.50
氨*	NH₃(g)	9.25
氫氰酸	HCN	9.30
苯甲胺*		9.33
三甲胺*		9.81
苯酚	PhOH	9.9
乙二胺*		10.08
甲胺*		10.66
二甲胺*		10.73
乙胺*		10.81
三乙胺*		11.01
二乙胺*		11.09
過氧化氫	H₂O₂	11.65	25
胍*		12.50
咪唑（作為鹼）		14.58
水	H₂O	15.74
氨基鈉	NaNH₂	-19.00（pK_b）
六甲基二硅基胺基钾(KHMDS)		26.00
液氨*	NH₃(l)	34
四甲基哌啶锂(LiTMP)		37.00
二異丙基胺基鋰（LDA）		37.00
丙烷	C₃H₈	45.00
乙烷	C₂H₆	50.00

*氨和胺基的數值是相應的氨離子的pK_a值。(非與水反應)
**碳酸的濃度假定為碳酸与二氧化碳的濃度和。
***质子化能力高于高氯酸的质子酸所列数据为H₀值，高氯酸的H₀值为-13。

常見物質的pK_a數值

有多種技術來確定化學物質的pK_a值，導致不同來源之間存在一些差異。測量值之間通常有0.1個單位的誤差。下列物質的數據都是在25℃時水中測得。^[1]

化學名稱	化學平衡	pK_a
B = 腺嘌呤	BH₂²⁺ ⇌ BH⁺ + H⁺	4.17
	BH⁺ ⇌ B + H⁺	9.65
H₃A = 亞砷酸	H₃A ⇌ H₂A⁻ + H⁺	2.22
	H₂A⁻ ⇌ HA²⁻ + H⁺	6.98
	HA²⁻ ⇌ A³⁻ + H⁺	11.53
HA = 苯甲酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	4.204
HA = 丁酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	4.82
H₂A = 鉻酸	H₂A ⇌ HA⁻ + H⁺	0.98
	HA⁻ ⇌ A²⁻ + H⁺	6.5
B = 可待因	BH⁺ ⇌ B + H⁺	8.17
HA = 甲酚	HA ⇌ H⁺ + A⁻	10.29
HA = 甲酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	3.751
HA = 氫氟酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	3.17
HA = 氫氰酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	9.21
HA = 硒化氫	HA ⇌ H⁺ + A⁻	3.89
HA = 過氧化氫（90％）	HA ⇌ H⁺ + A⁻	11.7
HA = 乳酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	3.86
HA = 丙酸	HA ⇌ H⁺ + A⁻	4.87
HA = 苯酚	HA ⇌ H⁺ + A⁻	9.99
H₂A = 維生素C	H₂A ⇌ HA⁻ + H⁺	4.17
	HA⁻ ⇌ A²⁻ + H⁺	11.57