Equilibria · ⁨Равновесие⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · Topic 25 · ⁨Тема 25⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

25.1

Conjugate acids and bases · ⁨Конъюгированные кислоты и основания⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand and use the terms conjugate acid and conjugate base
define conjugate acid–base pairs, identifying such pairs in reactions
define mathematically the terms pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ and $K_w$ and use them in calculations ($K_b$ and the equation $K_w = K_a \times K_b$ will not be tested)
calculate $[\text{H}^+(\text{aq})]$ and pH values for: (a) strong acids (b) strong alkalis (c) weak acids
(a) define a buffer solution (b) explain how a buffer solution can be made (c) explain how buffer solutions control pH; use chemical equations in these explanations (d) describe and explain the uses of buffer solutions, including the role of $\text{HCO}_3^-$ in controlling pH in blood
calculate the pH of buffer solutions, given appropriate data
understand and use the term solubility product, $K_{\text{sp}}$
write an expression for $K_{\text{sp}}$
calculate $K_{\text{sp}}$ from concentrations and vice versa
(a) understand and use the common ion effect to explain the different solubility of a compound in a solution containing a common ion (b) perform calculations using $K_{\text{sp}}$ values and concentration of a common ion

Русский

понимать и использовать термины сопряжённая кислота и сопряжённое основание
определять пары сопряжённых кислотно-основных пар, выявляя такие пары в реакциях
математически определить термины pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ и $K_w$ и использовать их в расчётах ($K_b$ и уравнение $K_w = K_a \times K_b$ не будут проверяться)
вычислять значения $[\text{H}^+(\text{aq})]$ и pH для: (a) сильных кислот (b) сильных щелочей (c) слабых кислот
(a) определить буферный раствор (b) объяснить, как можно приготовить буферный раствор (c) объяснить, как буферные растворы контролируют pH; использовать химические уравнения в этих объяснениях (d) описать и объяснить применение буферных растворов, включая роль $\text{HCO}_3^-$ в контроле pH в крови
вычислять pH буферных растворов, зная соответствующие данные
понимать и использовать термин произведение растворимости, $K_{\text{sp}}$
записать выражение для $K_{\text{sp}}$
вычислять $K_{\text{sp}}$ по концентрациям и обратно
(a) понимать и использовать эффект общего иона для объяснения разной растворимости соединения в растворе, содержащем общий ион (b) выполнять расчёты, используя значения $K_{\text{sp}}$ и концентрацию общего иона

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Titration curve and equivalence point

When a Brønsted acid loses an $\text{H}^+$, what is left is its conjugate base 共轭碱. When a base gains an $\text{H}^+$, it becomes its conjugate acid 共轭酸. The two species that differ by just one $\text{H}^+$ form a conjugate acid–base pair 共轭酸碱对.

For example, in $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, the pair is $\text{CH}_3\text{COOH}$ (acid) and $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (its conjugate base).

Русский

Титрационная кривая и точка эквивалентности

Когда кислота Бренстеда теряет $\text{H}^+$, остается ее конъюгированное основание. Когда основание приобретает $\text{H}^+$, оно становится его конъюгированной кислотой. Два вида, отличающиеся ровно на один $\text{H}^+$, образуют конъюгированную кислотно-основную пару.

Например, в $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$ пара состоит из $\text{CH}_3\text{COOH}$ (кислота) и $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (ее конъюгированное основание).

Уксусная кислота отдает протон своему сопряженному основанию, а аммиак принимает протон, образуя сопряженную кислоту; сопряженная пара выделена скобками — Конъюгированные пары отличаются одним протоном: кислота теряет H$^+$, образуя конъюгированное основание; основание принимает H$^+$, образуя конъюгированную кислоту

Explore · ⁨Исследовать⁩

pH and H⁺ concentration · ⁨pH и концентрация H⁺⁩

pH = −log[H⁺]: slide it and watch [H⁺] change tenfold per unit. A conjugate acid–base pair differ by a single proton. · ⁨pH = −log[H⁺]: перемещайте ползунок и наблюдайте, как концентрация [H⁺] изменяется в десять раз на каждую единицу. Кислотно-основная сопряженная пара отличается одним протоном.⁩

25.1

pH and the equilibrium constants · ⁨pH и константы равновесия⁩

English

pH measures acidity: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, so $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
the acid dissociation constant 酸解离常数 of a weak acid $\text{HA}$ is $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, and $\text{p}K_a = -\log K_a$. A larger $K_a$ (smaller $\text{p}K_a$) means a stronger acid.
the ionic product of water 水的离子积 is $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ at $298\ \text{K}$.

Calculating pH

strong acid 强酸: fully ionised, so $[\text{H}^+]$ equals the acid concentration; then take $-\log$.
strong alkali 强碱: find $[\text{OH}^-]$ from the concentration, then use $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
weak acid 弱酸: only partly ionised, so use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Worked example. Find the pH of $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ hydrochloric acid (a strong acid).

It is fully ionised, so $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, giving $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ sodium hydroxide (a strong base). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

$[\text{OH}^-] = 0.10$, so $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, giving $\text{pH} = 13.0$.

Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ ethanoic acid (a weak acid). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$

Русский

pH измеряет кислотность: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, следовательно, $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
константа диссоциации кислоты слабой кислоты $\text{HA}$ равна $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, а $\text{p}K_a = -\log K_a$. Большее $K_a$ (меньшее $\text{p}K_a$) означает более сильную кислоту.
ионное произведение воды равно $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ при $298\ \text{K}$.

Шкала pH охватывает диапазон от кислой через нейтральную к щелочной среде, где pH = -log концентрации ионов водорода — Шкала pH: pH = -log концентрации ионов водорода

Полоски индикаторной бумаги рядом с цветовой шкалой — Индикаторная бумага определяет приблизительное pH раствора по изменению цвета

Расчет pH

сильная кислота: полностью ионизирована, поэтому $[\text{H}^+]$ равна концентрации кислоты; затем возьмите $-\log$.
сильное основание: найдите $[\text{OH}^-]$ по концентрации, затем используйте $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
слабая кислота: ионизируется лишь частично, поэтому используйте $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Разобранное решение. Найдите pH $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ соляной кислоты (сильная кислота).

Она полностью ионизирована, поэтому $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, что дает $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Разобранное решение. Найдите pH $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ гидроксида натрия (сильное основание). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

$[\text{OH}^-] = 0.10$, значит $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, что дает $\text{pH} = 13.0$.

Пример решения. Найдите pH раствора $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ уксусной кислоты (слабая кислота). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$

25.1

Buffer solutions · ⁨Буферные растворы⁩

English

A buffer solution 缓冲溶液 resists a change in pH when a small amount of acid or alkali is added. You make one from a weak acid and its conjugate base (for example ethanoic acid and sodium ethanoate).

It works because the mixture holds a store of both partners:

added $\text{H}^+$ is removed by the conjugate base: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
added $\text{OH}^-$ is removed by the weak acid: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.

To find the pH, put the concentrations of the acid and its salt into the $K_a$ expression. Buffers are important in living things — for example, $\text{HCO}_3^-$ keeps the pH of blood close to $7.4$.

Русский

Буферный раствор противостоит изменению pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания. Его готовят из слабой кислоты и её конъюгированного основания (например, уксусной кислоты и этаноата натрия).

Он работает потому, что смесь содержит запас обоих компонентов:

добавленный $\text{H}^+$ удаляется сопряженным основанием: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
добавленный $\text{OH}^-$ удаляется слабой кислотой: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.

Буферная система HA и A-, куда добавленные H+ связываются A-, а добавленные OH- связываются HA — Буфер содержит запас слабой кислоты и её конъюгированного основания: добавленный H$^+$ поглощается A$^-$, а добавленный OH$^-$ — HA, поэтому pH почти не меняется

Чтобы найти pH, подставьте концентрации кислоты и её соли в выражение $K_a$. Буферы важны в живых организмах — например, $\text{HCO}_3^-$ поддерживает pH крови близким к $7.4$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Buffers and the titration curve · ⁨Буферные растворы и титровальная кривая⁩

Add alkali to acid: the flat part is where a buffer resists pH change, and the steep jump is the equivalence point. · ⁨Добавляйте щёлочь к кислоте: плоская часть — это зона, где буфер сопротивляется изменению pH, а резкий скачок — эквивалентная точка.⁩

25.1

Solubility product · ⁨Произведение растворимости⁩

English

For a salt that barely dissolves, the solubility product 溶度积 ($K_{\text{sp}}$) is the product of the ion concentrations in a saturated solution, each raised to the power of its number in the formula:

$$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

You can find $K_{\text{sp}}$ from the solubility, or the solubility from $K_{\text{sp}}$.

The common ion effect

The common ion effect 同离子效应 is the way a salt becomes less soluble in a solution that already contains one of its ions. The extra ion pushes the dissolving equilibrium back (Le Chatelier), so less salt dissolves. You can calculate the new solubility using $K_{\text{sp}}$ and the concentration of the common ion.

Русский

Для малорастворимой соли произведение растворимости ($K_{\text{sp}}$) равно произведению концентраций ионов в насыщенном растворе, возведенных в степень, соответствующую их числу в формуле:

$$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

Вы можете найти $K_{\text{sp}}$ по растворимости, либо растворимость по $K_{\text{sp}}$.

Спелеотемы, свисающие с потолка пещеры — Спелеотемы растут, когда растворенный карбонат кальция медленно выпадает из раствора — это реальный пример равновесия растворимости

Эффект общего иона

Эффект общего иона — это снижение растворимости соли в растворе, который уже содержит один из её ионов. Избыточный ион смещает равновесие растворения обратно (по принципу Ле Шателье), поэтому растворяется меньше соли. Новую растворимость можно рассчитать, используя $K_{\text{sp}}$ и концентрацию общего иона.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Solubility product lab · ⁨Лабораторная работа: произведение растворимости⁩

ionic product compared with Ksp · ⁨ионное произведение по сравнению с Ksp⁩

Increase ion concentration and see when precipitation becomes likely. · ⁨Увеличьте концентрацию ионов и наблюдайте, когда выпадение осадка станет вероятным.⁩

25.2

Partition coefficients · ⁨Коэффициенты распределения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state what is meant by the term partition coefficient, $K_{\text{pc}}$
calculate and use a partition coefficient for a system in which the solute is in the same physical state in the two solvents
understand the factors affecting the numerical value of a partition coefficient in terms of the polarities of the solute and the solvents used

Русский

объяснить, что понимается под термином коэффициент распределения, $K_{\text{pc}}$
вычислять и использовать коэффициент распределения для системы, в которой растворённое вещество находится в одинаковом физическом состоянии в обоих растворителях
понимать факторы, влияющие на численное значение коэффициента распределения, с точки зрения полярности растворённого вещества и используемых растворителей

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

When a solute is shaken with two solvents that do not mix, it spreads between them. The partition coefficient 分配系数 ($K_{\text{pc}}$) is the ratio of its concentrations in the two layers (at constant temperature):

$$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

This works when the solute 溶质 is in the same physical state in both solvents. The value depends on the polarity 极性 of the solute and of each solvent 溶剂: a non-polar solute dissolves more in the non-polar solvent, while a polar solute prefers the polar solvent.

Русский

Когда растворимое вещество встряхивают с двумя несмешивающимися растворителями, оно распределяется между ними. Коэффициент распределения ($K_{\text{pc}}$) равен отношению его концентраций в двух слоях (при постоянной температуре):

$$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

Это справедливо, когда растворенное вещество находится в одинаковом физическом состоянии в обоих растворителях. Значение зависит от полярности растворенного вещества и каждого растворителя: неполярное вещество лучше растворяется в неполярном растворителе, а полярное предпочитает полярный растворитель.

Два несмешивающихся слоя растворителя с растворенным веществом, распределенным между ними: больше в неполярном верхнем слое, чем в воде ниже — Растворенное вещество, встряхнутое с двумя несмешивающимися растворителями, распределяется между ними; коэффициент распределения равен отношению его концентраций в двух слоях

Explore · ⁨Исследовать⁩

Partition coefficient lab · ⁨Лабораторная работа по коэффициентам распределения⁩

Kpc = concentration organic / concentration aqueous · ⁨Kpc = концентрация в органической фазе / концентрация в водной фазе⁩

Change organic-layer concentration and see the partition ratio. · ⁨Измените концентрацию в органическом слое и определите коэффициент распределения.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/	сопряженного основания
conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/	сопряженная кислота
conjugate acid–base pair/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd beɪs peə/	сопряженная кислотно-основная пара
acid dissociation constant/ˈæsɪd dɪˌsəʊsɪˈeɪʃn ˈkɒnstənt/	константа диссоциации кислоты
ionic product of water/aɪˈɒnɪk ˈprɒdʌkt ɒv ˈwɔːtə/	ионное произведение воды
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/	сильной кислоты
strong alkali/strɒŋ ˈælkəlaɪ/	сильный щелочь
weak acid/wiːk ˈæsɪd/	слабой кислоты
buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/	буферный раствор
solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/	произведение растворимости
common ion effect/ˈkɒmən ˈaɪɒn ɪˈfekt/	эффект общего иона
partition coefficient/pɑːˈtɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/	коэффициент распределения
solute/ˈsɒljuːt/	растворённым веществом
polarity/pəʊˈlærɪti/	полярность
solvent/ˈsɒlvənt/	растворитель

25.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; for a strong acid $[\text{H}^+]$ = concentration, for a weak acid use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
For a base, get $[\text{H}^+]$ from $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
For a buffer use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ and explain how it removes added $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$.
Write the $K_{sp}$ expression with the correct powers; the number of decimal places in a pH equals the significant figures of $[\text{H}^+]$.

Русский

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; для сильной кислоты $[\text{H}^+]$ = концентрации, для слабой кислоты используйте $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
Для основания получите $[\text{H}^+]$ из $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
Для буфера используйте $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ и объясните, как он нейтрализует добавленные $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$.
Запишите выражение для $K_{sp}$ с правильными степенями; количество знаков после запятой в pH равно значащим цифрам $[\text{H}^+]$.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩⁩