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酸与碱

AP 化学 · 知识点 8

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8:24

酸和碱

两条纸条——一条红色,一条蓝色。将它们浸入液体中,颜色会发生变化,而这种颜色告诉你液体是酸还是碱。……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

8.1

酸碱导论

教学大纲

学习目标 8.1.A: 基于水的自电离常数 $K_w$ 及中性水溶液中所有物种的浓度,计算 $\mathrm{pH}$ 和 $\mathrm{pOH}$ 的值。

  • 8.1.A.1 水合氢离子和氢氧根离子的浓度通常分别以 $\mathrm{pH}$ 和 $\mathrm{pOH}$ 表示。
    • 公式: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
    • 公式: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
    • “氢离子”与“水合氢离子”以及符号 $\mathrm{H^+}(aq)$ 和 $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ 在指代水溶液中的氢离子时常被互换使用。推荐优先使用水合氢离子和 $\mathrm{H_3O^+}(aq)$,但在 AP 考试中 $\mathrm{H^+}(aq)$ 也被接受。
  • 8.1.A.2 水发生自电离,其平衡常数为 $K_w$。
    • 公式: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ (25°C时)
  • 8.1.A.3 在纯水中,$\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ 称为中性溶液。在 25°C 时,$\mathrm{p}K_w = 14.0$,因此 $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$。
    • 公式: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ (25°C时)
  • 8.1.A.4 $K_w$ 的值随温度变化,因此在非 25°C 的温度下,纯中性水的 pH 值将偏离 7.0。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Litmus paper: acid–base indicators change colour with H⁺ concentration (pH)
Litmus paper: acid–base indicators change colour with H⁺ concentration (pH)

By the Brønsted–Lowry definition, an acid 酸 is a proton ($\text{H}^+$) donor and a base 碱 is a proton acceptor. When an acid donates a proton it becomes its conjugate base 共轭碱; a base gaining a proton becomes its conjugate acid 共轭酸. Water is amphoteric – it can act as either.

A strong acid is fully dissociated; a weak acid is only partly dissociated
A strong acid is fully dissociated; a weak acid is only partly dissociated
pH test strips: acid–base strength and concentration set the pH you measure
pH test strips: acid–base strength and concentration set the pH you measure
探索

酸还是碱?

按给出质子或接受质子的能力对每种物种排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
acid/ˈæsɪd/ 酸 suān
base/beɪs/ 碱 jiǎn
conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/ 共轭碱 gòng è jiǎn
conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/ 共轭酸 gòng è suān
8.1

酸碱导论

教学大纲

学习目标 8.1.A: 基于水的自电离常数 $K_w$ 及中性水溶液中所有物种的浓度,计算 $\mathrm{pH}$ 和 $\mathrm{pOH}$ 的值。

  • 8.1.A.1 水合氢离子和氢氧根离子的浓度通常分别以 $\mathrm{pH}$ 和 $\mathrm{pOH}$ 表示。
    • 公式: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
    • 公式: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
    • “氢离子”与“水合氢离子”以及符号 $\mathrm{H^+}(aq)$ 和 $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ 在指代水溶液中的氢离子时常被互换使用。推荐优先使用水合氢离子和 $\mathrm{H_3O^+}(aq)$,但在 AP 考试中 $\mathrm{H^+}(aq)$ 也被接受。
  • 8.1.A.2 水发生自电离,其平衡常数为 $K_w$。
    • 公式: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ (25°C时)
  • 8.1.A.3 在纯水中,$\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ 称为中性溶液。在 25°C 时,$\mathrm{p}K_w = 14.0$,因此 $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$。
    • 公式: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ (25°C时)
  • 8.1.A.4 $K_w$ 的值随温度变化,因此在非 25°C 的温度下,纯中性水的 pH 值将偏离 7.0。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Even pure water conducts a tiny current, because water molecules react with each other in a reaction called autoionization 自偶电离:

$$2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-.$$
One water molecule passes a proton to another, making a hydronium ion 水合氢离子 ($\text{H}_3\text{O}^+$, the ion we loosely write as $\text{H}^+$) and a hydroxide ion. This equilibrium has its own constant, the ion-product constant of water 水的离子积:
$$K_w = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 1.0\times10^{-14}$$
at 25 °C. Defining $\text{pOH}=-\log[\text{OH}^-]$ and taking $-\log$ of the $K_w$ expression gives the rule the rest of this topic leans on:
$$\text{pH} + \text{pOH} = \text{p}K_w = 14.0$$
(again at 25 °C). Know one of pH or pOH and you get the other by subtracting from 14.

At 25 °C, in pure water the two ions form in equal numbers, so $[\text{H}_3\text{O}^+]=[\text{OH}^-]$ and $\text{pH}=\text{pOH}=7.0$. This is what neutral 中性 means. Acidic means $[\text{H}_3\text{O}^+]>[\text{OH}^-]$ (pH below 7); basic is the reverse.

Worked example. A solution has $[\text{H}_3\text{O}^+]=2.0\times10^{-3}\ \text{M}$. Find $[\text{OH}^-]$. Because $K_w$ always holds in water,

$$[\text{OH}^-]=\frac{K_w}{[\text{H}_3\text{O}^+]}=\frac{1.0\times10^{-14}}{2.0\times10^{-3}}=5.0\times10^{-12}\ \text{M}.$$
The hydroxide concentration is far smaller than the hydronium, confirming the solution is acidic.

$K_w$ is temperature dependent: autoionization is endothermic, so heating water shifts it forward and raises $K_w$. At 50 °C, $K_w>1.0\times10^{-14}$, so neutral water has $\text{pH}=\text{pOH}<7.0$. It is still neutral, because the ion concentrations are still equal – neutral means equal ions, not a pH of exactly 7.

pH strips: water autoionizes so pure water is pH 7; acids and bases shift H+ and OH-
pH strips: water autoionizes so pure water is pH 7; acids and bases shift H+ and OH-
词汇 训练
English 中文 拼音
autoionization/ˌɔːtəʊˌaɪənaɪˈzeɪʃn/ 自偶电离 zì ǒu diàn lí
hydronium ion/haɪˈdrəʊnɪəm ˈaɪɒn/ 水合氢离子 shuǐ hé qīng lí zǐ
ion-product constant of water/ˈaɪɒn ˈprɒdʌkt ˈkɒnstənt ɒv ˈwɔːtə/ 水的离子积 shuǐ de lí zǐ jī
neutral/ˈnjuːtrəl/ 中性 zhōng xìng
8.2

强酸与强碱的 pH 与 pOH

教学大纲

学习目标 8.2.A: 根据强酸或强碱溶液中所有物种的浓度,计算 $\mathrm{pH}$ 和 $\mathrm{pOH}$。

  • 8.2.A.1 强酸(例如 $\mathrm{HCl}$、$\mathrm{HBr}$、$\mathrm{HI}$、$\mathrm{HClO_4}$、$\mathrm{H_2SO_4}$ 和 $\mathrm{HNO_3}$)的分子在水溶液中会完全电离,产生水合氢离子和酸的共轭碱。因此,强酸溶液中的 $\mathrm{H_3O^+}$ 浓度等于强酸的初始浓度,从而可以很容易地计算出该强酸溶液的 $\mathrm{pH}$。
  • 8.2.A.2 当溶解在溶液中时,强碱(例如第 I 族和第 II 族氢氧化物)会完全解离以产生氢氧根离子。因此,强碱溶液中的 $\mathrm{OH^-}$ 浓度等于第 I 族氢氧化物的初始浓度,或是第 II 族氢氧化物初始浓度的两倍,从而可以很容易地计算出该强碱溶液的 $\mathrm{pOH}$(以及 $\mathrm{pH}$)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The pH pH值 scale measures acidity: $\text{pH}=-\log[\text{H}^+]$, with $\text{pH}+\text{pOH}=14$ at 25 °C. A strong acid 强酸 ionises essentially completely in dilute water; a soluble strong base 强碱 such as NaOH dissociates. For a monoprotic acid or a base supplying one hydroxide per formula unit, the ion concentration is approximately the analytical concentration when water autoionisation is negligible. Otherwise use the balanced stoichiometric ratio. Lower pH means more acidic.

The pH scale: pH is the negative log of the hydrogen-ion concentration
The pH scale: pH is the negative log of the hydrogen-ion concentration

Worked example. Find the pH of $0.010\ \text{M}$ HCl. Because HCl is a strong acid it is fully dissociated, so $[\text{H}^+]=0.010\ \text{M}$ and

$$\text{pH}=-\log(0.010)=2.0.$$
For a strong base like $0.010\ \text{M}$ NaOH, $\text{pOH}=2.0$, so $\text{pH}=14-2.0=12.0$.

探索

沿 pH 刻度移动

pH 在对数尺度上衡量氢离子浓度:每个单位代表十倍的变化。强酸位于低处,强碱位于高处,7 为中性。

词汇 训练
English 中文 拼音
pH/piː eɪtʃ/ pH值 pH zhí
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 强酸 qiáng suān
strong base/strɒŋ beɪs/ 强碱 qiáng jiǎn
8.3

弱酸与弱碱的平衡

教学大纲

学习目标 8.3.A: 解释 $\mathrm{pH}$、$\mathrm{pOH}$ 以及单质子弱酸或弱碱溶液中所有物种浓度之间的关系。

  • 8.3.A.1 弱酸与水反应生成水合氢离子。然而,只有很小比例的弱酸分子会以这种方式电离。因此,$\mathrm{H_3O^+}$ 的浓度远小于酸的初始分子浓度,绝大多数酸分子保持未电离状态。
  • 8.3.A.2 弱酸溶液涉及未电离酸与其共轭碱之间的平衡。该反应的平衡常数为 $K_a$,通常报告为 $\mathrm{p}K_a$。弱酸溶液的 pH 值可以根据酸的初始浓度和 $\mathrm{p}K_a$ 确定。
    • 方程: $K_a = \dfrac{[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$
    • 方程: $\mathrm{p}K_a = -\log K_a$
  • 8.3.A.3 弱碱与水反应在溶液中生成氢氧根离子。然而,通常只有很小比例的溶液中的弱碱分子会以这种方式电离。因此,溶液中 $\mathrm{OH^-}$ 的浓度不等于碱的初始浓度,绝大多数碱分子保持未电离状态。
  • 8.3.A.4 弱碱溶液涉及未电离碱与其共轭酸之间的平衡。该反应的平衡常数为 $K_b$,通常报告为 $\mathrm{p}K_b$。弱碱溶液的 $\mathrm{pH}$ 可以根据碱的初始浓度和 $\mathrm{p}K_b$ 确定。
    • 方程: $K_b = \dfrac{[\mathrm{OH^-}][\mathrm{HB^+}]}{[\mathrm{B}]}$
    • 方程: $\mathrm{p}K_b = -\log K_b$
  • 8.3.A.5 弱酸(或碱)的电离百分比可以根据其 $\mathrm{p}K_a$($\mathrm{p}K_b$)和酸(碱)的初始浓度计算。电离百分比也可以根据酸(碱)的初始浓度和平衡表达式中任何物种的平衡浓度来计算。
  • 8.3.A.6 对于任何共轭酸碱对,酸电离常数和碱电离常数通过 $K_w$ 相关联:
    • 方程: $K_w = K_a \times K_b$
    • 方程: $\mathrm{p}K_w = \mathrm{p}K_a + \mathrm{p}K_b$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A weak acid 弱酸 only partly dissociates, described by an equilibrium constant $K_a$ (larger $K_a$ = stronger weak acid); a weak base has $K_b$. For any conjugate acid–base pair the two are linked through water, $K_a\times K_b = K_w$, so $\text{p}K_a+\text{p}K_b=14$ – a stronger acid always has a weaker conjugate base. Find $[\text{H}^+]$ with an ICE table and the $K_a$ expression. Use a small-$x$ approximation only after checking that the dissociated fraction is small.

Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{M}$ acetic acid, $K_a=1.8\times10^{-5}$. Let $x=[\text{H}^+]$ at equilibrium; the ICE table gives $K_a=\dfrac{x^2}{0.10-x}\approx\dfrac{x^2}{0.10}$ (small-$x$ approximation), so

$$x=\sqrt{K_a\times0.10}=\sqrt{1.8\times10^{-6}}=1.3\times10^{-3}\ \text{M}\;\Rightarrow\;\text{pH}=-\log(1.3\times10^{-3})=2.9.$$
The weak acid is far less acidic than a strong acid of the same concentration (which would be pH $1.0$).

探索

强还是弱?

根据每种酸或碱是完全电离还是部分电离,对其进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 弱酸 ruò suān
8.4

酸碱反应与缓冲溶液

教学大纲

学习目标 8.4.A: 解释弱酸、强酸和碱的混合物中主要物种浓度之间的关系。

  • 8.4.A.1 当强酸与强碱混合时,它们按化学计量比发生定量反应,反应方程式表示为:$\mathrm{H^+}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightarrow \mathrm{H_2O}(l)$。所得溶液的 pH 值可通过过量试剂的浓度确定。
  • 8.4.A.2 当弱酸与强碱混合时,它们按化学计量比发生定量反应,反应方程式表示为:$\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq)\ \mathrm{H_2O}(l)$。若弱酸过量,则形成缓冲溶液,可利用亨德森-哈塞尔巴尔赫(H–H)方程确定 $\mathrm{pH}$ 值(见 8.9.A.1)。若强碱过量,则可根据过量氢氧根离子的摩尔数和溶液总体积确定 $\mathrm{pH}$ 值。若二者等摩尔,则可根据以下方程式所代表的平衡确定(略呈碱性)$\mathrm{pH}$ 值:$\mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq)$。
  • 8.4.A.3 当弱碱与强酸混合时,它们将按化学计量比发生定量反应,反应方程式表示为:$\mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq) \rightleftarrows \mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l)$。若弱碱过量,则形成缓冲溶液,可利用 H–H 方程确定 $\mathrm{pH}$ 值。若强酸过量,则可根据过量水合氢离子的摩尔数和溶液总体积确定 $\mathrm{pH}$ 值。若二者等摩尔,则可根据以下方程式所代表的平衡确定(略呈酸性)$\mathrm{pH}$ 值:$\mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq)$。
  • 8.4.A.4 当弱酸与弱碱混合时,它们将反应达到平衡状态,该反应可用方程式表示为:$\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{B}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{HB^+}(aq)$。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A buffer 缓冲溶液 resists pH change. It contains a weak acid and its conjugate base (or a weak base and its conjugate acid) in comparable amounts. Added acid is neutralized by the conjugate base, and added base by the weak acid, so pH barely moves.

探索

它是缓冲溶液吗?

根据每种混合物是否形成缓冲溶液,对其进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
buffer/ˈbʌfə/ 缓冲溶液 huǎn chōng róng yè
8.5

酸碱滴定

教学大纲

学习目标 8.5.A: 解释单质子或多质子酸或碱溶液滴定的结果,并结合溶液及其组分的性质进行说明。

  • 8.5.A.1 酸碱反应可以在受控条件下通过滴定进行。绘制 $\mathrm{pH}$ 随加入滴定剂体积变化的滴定曲线,有助于总结滴定结果。
  • 8.5.A.2 对于单质子酸或碱的滴定,在等当点时,加入的滴定剂的摩尔数等于最初存在的分析物的摩尔数。这一关系可用于计算分析物的浓度。该原理适用于强酸/强碱和弱酸/弱碱的滴定。
  • 8.5.A.3 对于弱酸/弱碱的滴定,考虑达到等当点一半的点(即半等当点)很有用。在该点,共轭酸碱对中的每种物种浓度相等,例如对于弱酸 $[\mathrm{HA}] = [\mathrm{A^-}]$。由于当共轭酸和碱浓度相等时 $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$,因此可以从滴定中的半等当点处的 $\mathrm{pH}$ 确定 $\mathrm{p}K_a$。
  • 8.5.A.4 在等当点,pH 值由溶液中主要存在的物种决定。强酸与强碱的滴定在等当点产生中性 pH 值。然而,在弱酸(或弱碱)的滴定中,等当点处存在弱酸的共轭碱(或弱碱的共轭酸),它们可能与周围的水发生质子转移反应,从而产生碱性(或酸性)溶液。
  • 8.5.A.5 对于多质子酸,滴定曲线可用于确定酸性质子的数量。在此过程中,可以识别曲线上任意一点存在的主要物种,以及每个质子所关联的 $\mathrm{p}K_a$。
    • 排除声明: AP 考试不评估多质子酸滴定曲线中各物种浓度的计算。此类计算属于单质子酸滴定的课程范围(见 8.4.A.2 和 8.4.A.3),关于在多质子酸滴定过程中任意时刻大量存在与少量存在的物种的定性推理也在课程范围内。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
An acid–base titration curve

A titration curve 滴定曲线 plots pH as base (or acid) is added. Key points: the equivalence point 等当点 (acid and base mixed in their balanced stoichiometric ratio; equal moles only for a 1:1 reaction), and, for a single weak-acid titration stage, the half-equivalence point, where $\text{pH}=\text{p}K_a$ (half the weak acid is converted, so a buffer is at its center).

An acid-base indicator 酸碱指示剂 is itself a weak acid whose protonated and deprotonated forms have different colours, so its colour responds to pH. You pick an indicator whose colour change happens near the titration's equivalence-point pH, so the colour flips just as the reaction completes.

A titration curve has a steep jump near the equivalence point
A titration curve has a steep jump near the equivalence point
探索

滴定至等当点

滴定曲线平缓上升,然后在等当点处急剧上升,此时酸和碱的摩尔数匹配。陡峭的跳跃 pinpointed 该体积。

词汇 训练
English 中文 拼音
titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ 滴定曲线 dī dìng qū xiàn
equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/ 等当点 děng dāng diǎn
acid-base indicator/ˈæsɪd beɪs ˈɪndɪkeɪtə/ 酸碱指示剂 suān jiǎn zhǐ shì jì
8.6

酸碱的分子结构

教学大纲

学习目标 8.6.A: 解释酸或碱的强度与其分子或离子结构之间的关系。

  • 8.6.A.1 参与酸碱反应的质子及其相对强度,可以从分子结构中推断出来。
    • i. 强酸(如 $\mathrm{HCl}$、$\mathrm{HBr}$、$\mathrm{HI}$、$\mathrm{HClO_4}$、$\mathrm{H_2SO_4}$ 和 $\mathrm{HNO_3}$)具有非常弱的共轭碱,这些共轭碱通过电负性、诱导效应、共振或其组合而得到稳定。
    • ii. 羧酸是弱酸的一个常见类别。
    • iii. 强碱(如第 I 族和第 II 族氢氧化物)具有非常弱的共轭酸。
    • iv. 常见的弱碱包括含氮碱(如氨)以及羧酸根离子。
    • v. 电负性元素相对于共轭酸而言倾向于稳定共轭碱,从而增强酸性。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Strength has structural roots. An acid is stronger when its conjugate base is more stable – for example, more electronegative atoms or resonance spreading the negative charge stabilize it. For oxoacids, more oxygen atoms on the central atom means a stronger acid.

探索

什么使酸变强?

根据哪种结构特征使酸更强,对每组比较进行排序。

8.7

pH 与 pKa

教学大纲

学习目标 8.7.A: 解释在给定 $\mathrm{pH}$ 下,溶液中弱酸或弱碱的主要存在形式与其共轭酸的 $\mathrm{p}K_a$ 或共轭碱的 $\mathrm{p}K_b$ 之间的关系。

  • 8.7.A.1 通过比较溶液的 $\mathrm{pH}$ 与该溶液中酸的 $\mathrm{p}K_a$,可以预测酸或碱的质子化状态(即 $\mathrm{HA}$ 和 $\mathrm{A^-}$ 的相对浓度)。当溶液 $\mathrm{pH} < \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$ 时,酸形式的浓度高于碱形式。当溶液 $\mathrm{pH} > \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$ 时,碱形式的浓度高于酸形式。
  • 8.7.A.2 酸碱指示剂是在质子化状态与去质子化状态下表现出不同性质(如颜色)的物质,使得该性质对溶液的 $\mathrm{pH}$ 产生响应。
  • 8.7.A.3 为确保滴定实验结果的准确性,应选择具有接近化学计量点 $\mathrm{pH}$ 的 $\mathrm{p}K_a$ 的酸碱指示剂。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

$\text{p}K_a=-\log K_a$: a smaller $\text{p}K_a$ means a stronger acid. Comparing pH to $\text{p}K_a$ tells you the dominant form: below $\text{p}K_a$ the acid form dominates; above it, the conjugate base form dominates.

探索

从pKa读取强度

按pKa对每种酸排序。较小的pKa意味着更强的酸。

8.8

缓冲溶液的性质

教学大纲

学习目标 8.8.A: 解释缓冲溶液稳定 $\mathrm{pH}$ 的能力与向缓冲溶液中加入酸或碱时发生的反应之间的关系。

  • 8.8.A.1 缓冲溶液中含有共轭酸碱对的两个组分的较大浓度。共轭酸与加入的碱反应,共轭碱与加入的酸反应。这些反应是缓冲溶液能够稳定 $\mathrm{pH}$ 的原因。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
How a buffer resists pH change

A buffer works best when the weak acid and conjugate base concentrations are similar (pH near $\text{p}K_a$). Choose a buffer whose $\text{p}K_a$ is close to the target pH. Diluting a buffer barely changes its pH, because the acid-to-base ratio stays the same.

A buffer resists pH change by mopping up added acid or base
A buffer resists pH change by mopping up added acid or base
探索

缓冲溶液如何抵抗

在CH3COOH / CH3COO-缓冲体系中,根据各组分中和哪种添加物,对每种添加物进行排序。

8.9

亨德森-哈塞尔巴尔赫方程

教学大纲

学习目标 8.9.A: 根据用于制备缓冲溶液的共轭酸碱对的种类和浓度,确定缓冲溶液的 $\mathrm{pH}$。

  • 8.9.A.1 缓冲溶液的 $\mathrm{pH}$ 与酸的 $\mathrm{p}K_a$ 以及共轭酸碱对的浓度比有关。这种关系源于弱酸解离相关的平衡表达式,并由亨德森-哈塞尔巴尔赫方程描述。向缓冲溶液中加入少量酸或碱不会显著改变 $[\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ 的比值,因此也不会显著改变溶液的 $\mathrm{pH}$。因此,向缓冲溶液中加入酸或碱时,$\mathrm{pH}$ 的变化幅度远小于在没有缓冲剂的情况下会发生的变化。
    • 方程式: $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$
    • 排除说明: AP 考试不考核向缓冲溶液中加入酸或碱后 pH 变化的计算。
    • 排除说明: AP 考试不考核亨德森-哈塞尔巴尔赫方程的推导。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

For a buffer, the pH follows from the acid-to-base ratio:

$$\text{pH}=\text{p}K_a+\log\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}.$$
When the concentrations are equal, the log is zero and $\text{pH}=\text{p}K_a$. Use it to design a buffer or find its pH quickly.

Worked example. A buffer holds $0.20\ \text{M}$ acetic acid ($\text{p}K_a=4.74$) and $0.30\ \text{M}$ acetate. Its pH is

$$\text{pH}=4.74+\log\frac{0.30}{0.20}=4.74+\log(1.5)=4.74+0.18=4.92.$$
A little more conjugate base than acid pushes the pH just above $\text{p}K_a$, as the equation predicts.

At half-equivalence [HA] = [A⁻], so the pH equals the pKa
At half-equivalence [HA] = [A⁻], so the pH equals the pKa
探索

比值设定pH

使用pH = pKa + log([base]/[acid]),根据各缓冲溶液的pH相对于pKa的位置对其进行排序。

8.10

缓冲容量

教学大纲

学习目标 8.10.A: 解释溶液的缓冲容量与溶液中共轭酸和共轭碱组分的相对浓度之间的关系。

  • 8.10.A.1 增加缓冲组分的浓度(同时保持这些浓度的比值不变)会使缓冲液的 $\mathrm{pH}$ 保持不变,但会增加缓冲液中和所加酸或碱的能力。
  • 8.10.A.2 当缓冲液中酸的量多于碱时,其对加入的碱比加入的酸具有更大的缓冲容量。当缓冲液中碱的量多于酸时,其对加入的酸比加入的碱具有更大的缓冲容量。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Buffer capacity 缓冲容量 is how much acid or base a buffer can absorb before its pH changes sharply. It is greatest when the components are concentrated and in roughly equal amounts. Once one component is used up, the buffer fails.

探索

什么提高了缓冲容量?

根据各缓冲溶液抵抗更多或更少加入的酸/碱,对其进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
Buffer capacity/ˈbʌfə kəˈpæsɪti/ 缓冲容量 huǎn chōng róng liàng
8.11

pH 与溶解度

教学大纲

学习目标 8.11.A: 识别pH值变化对盐类溶解度的定性影响。

  • 8.11.A.1 当盐的组成离子中有一种是弱酸、弱碱或氢氧根离子时,该盐的溶解度受pH值影响。这些影响可以通过勒夏特列原理进行定性理解。
    • 排除说明: AP考试不会考查作为pH值函数的溶解度计算。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The solubility of a salt with a basic anion rises in acidic solution: the added $\text{H}^+$ reacts with the anion, removing it from the solubility equilibrium and pulling more solid to dissolve (Le Chatelier applied to $K_{sp}$). So pH can control whether an ionic solid dissolves.

Common mistakes.

  • Expecting every equivalence point to be at pH 7. Weak acid + strong base ends above 7 (the conjugate base is left); weak base + strong acid ends below 7.
  • Reading $\text{p}K_a$ at the equivalence point. $\text{pH} = \text{p}K_a$ at the half-equivalence point, where $[\text{HA}] = [\text{A}^-]$.
  • Turning the Henderson–Hasselbalch ratio upside down. It is $\text{pH} = \text{p}K_a + \log\dfrac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$: more base than acid gives a pH above $\text{p}K_a$.
  • Using the strong-acid shortcut for a weak acid. For a weak acid, $[\text{H}_3\text{O}^+]$ is much smaller than the acid concentration; set up the $K_a$ expression.
  • Saying a more concentrated buffer has a different pH. The pH depends on the ratio $[\text{A}^-]/[\text{HA}]$; a more concentrated buffer with the same ratio has the same pH but a larger capacity.
  • Mixing up the direction of $K_a$ and $\text{p}K_a$. A stronger acid has a larger $K_a$ and a smaller $\text{p}K_a$.
探索

pH是否改变溶解度?

根据降低pH是否使每种盐更易溶,对其进行排序。

8.11

考试技巧

English
  • Neutral means equal ions, not pH 7. In pure water $[\text{H}_3\text{O}^+]=[\text{OH}^-]$; since $K_w$ rises with temperature, neutral pH drifts below 7 above 25 °C. Use $K_w=[\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-]=1.0\times10^{-14}$ (25 °C) to convert between $[\text{OH}^-]$ and $[\text{H}_3\text{O}^+]$.
  • $\text{pH}=-\log[\text{H}^+]$ is logarithmic — each unit is a ten-fold change in $[\text{H}^+]$.
  • For strong acids/bases use complete ionisation or dissociation with the balanced ion ratio; for weak species use the appropriate equilibrium constant.
  • A buffer holds a weak acid and its conjugate base, which mop up added acid or base.
  • On a titration curve the equivalence point is the steep jump; at half-equivalence $\text{pH}=\text{p}K_a$, and a smaller $\text{p}K_a$ means a stronger acid.

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逐步完成,配合即时检查练习。

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