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Equilibrios

A-Level Química · Topic 25 · ⁨Tema 25⁩

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7:56

Equilibrios (A2)

Tu sangre se mantiene a un pH de siete punto cuatro. Desvíate unas décimas en cualquiera de las direcciones y terminarás en el hospital. Sin embargo, todo el día se vierte ácido: procedente de tu alimentación y de tu…

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25.1

Conjugate acids and bases · ⁨Ácidos y bases conjugados⁩
Syllabus
English
  1. understand and use the terms conjugate acid and conjugate base
  2. define conjugate acid–base pairs, identifying such pairs in reactions
  3. 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)
  4. calculate $[\text{H}^+(\text{aq})]$ and pH values for: (a) strong acids (b) strong alkalis (c) weak acids
  5. (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
  6. calculate the pH of buffer solutions, given appropriate data
  7. understand and use the term solubility product, $K_{\text{sp}}$
  8. write an expression for $K_{\text{sp}}$
  9. calculate $K_{\text{sp}}$ from concentrations and vice versa
  10. (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
Español
  1. comprender y utilizar los términos ácido conjugado y base conjugada
  2. definir pares de ácido-base conjugados, identificando tales pares en reacciones
  3. definir matemáticamente los términos pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ y $K_w$ y utilizarlos en cálculos ($K_b$ y la ecuación $K_w = K_a \times K_b$ no se evaluarán)
  4. calcular $[\text{H}^+(\text{aq})]$ y valores de pH para: (a) ácidos fuertes (b) bases fuertes (c) ácidos débiles
  5. (a) definir una solución tampón (b) explicar cómo se puede preparar una solución tampón (c) explicar cómo las soluciones tampón controlan el pH; utilizar ecuaciones químicas en estas explicaciones (d) describir y explicar los usos de las soluciones tampón, incluido el papel del $\text{HCO}_3^-$ en el control del pH en la sangre
  6. calcular el pH de soluciones tampón, dados los datos apropiados
  7. comprender y utilizar el término producto de solubilidad, $K_{\text{sp}}$
  8. escribir una expresión para $K_{\text{sp}}$
  9. calcular $K_{\text{sp}}$ a partir de concentraciones y viceversa
  10. (a) comprender y utilizar el efecto del ion común para explicar la diferente solubilidad de un compuesto en una solución que contiene un ion común (b) realizar cálculos utilizando valores de $K_{\text{sp}}$ y concentración de un ion común

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fuente: Plan de estudios 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).

Español
Curva de titulación y punto de equivalencia

Cuando un ácido de Brønsted pierde un $\text{H}^+$, lo que queda es su base conjugada. Cuando una base gana un $\text{H}^+$, se convierte en su ácido conjugado. Las dos especies que difieren solo por un $\text{H}^+$ forman un par ácido-base conjugado.

Por ejemplo, en $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, el par está formado por $\text{CH}_3\text{COOH}$ (ácido) y $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (su base conjugada).

Ácido etanoico perdiendo un protón para formar su base conjugada, y amoníaco ganando un protón para formar su ácido conjugado, con el par conjugado entre corchetes
Los pares conjugados difieren en un protón: un ácido pierde H$^+$ to give its conjugate base; a base gains H$^+$ para dar su ácido conjugado
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pH y concentración de H⁺

pH = −log[H⁺]: deslízalo para ver cómo [H⁺] cambia en un factor de diez por unidad. Un par ácido-base conjugado difiere en un solo protón.

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English · ⁨Inglés⁩ Chinese · ⁨Chino⁩ Pinyin
conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/ 共轭碱 gòng è jiǎn
conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/ 共轭酸 gòng è suān
conjugate acid–base pair/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd beɪs peə/ 共轭酸碱对 gòng è suān jiǎn duì
acid dissociation constant/ˈæsɪd dɪˌsəʊsɪˈeɪʃn ˈkɒnstənt/ 酸解离常数 suān jiě lí cháng shù
ionic product of water/aɪˈɒnɪk ˈprɒdʌkt ɒv ˈwɔːtə/ 水的离子积 shuǐ de lí zi jī
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 强酸 qiáng suān
strong alkali/strɒŋ ˈælkəlaɪ/ 强碱 qiáng jiǎn
weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 弱酸 ruò suān
buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/ 缓冲溶液 huǎn chōng róng yè
solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/ 溶度积 róng dù jī
common ion effect/ˈkɒmən ˈaɪɒn ɪˈfekt/ 同离子效应 tóng lí zi xiào yìng
partition coefficient/pɑːˈtɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 分配系数 fēn pèi xì shù
25.1

pH and the equilibrium constants · ⁨pH y las constantes de equilibrio⁩
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). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$
Español
  • pH: mide la acidez. $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, por lo tanto $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
  • La constante de disociación ácida de un ácido débil $\text{HA}$ es $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, y $\text{p}K_a = -\log K_a$. Un valor mayor de $K_a$ (menor $\text{p}K_a$) indica un ácido más fuerte.
  • El producto iónico del agua es $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ a $298\ \text{K}$.
La escala de pH va desde lo ácido hasta lo neutro y luego hasta lo alcalino, con pH = -log de la concentración de iones de hidrógeno
La escala de pH: pH = -log de la concentración de iones de hidrógeno
Tiras de papel pH junto a una carta de colores
El papel pH estima el pH de una solución según el color que adopta

Cálculo del pH

  • Ácido fuerte: se ioniza completamente, por lo que $[\text{H}^+]$ es igual a la concentración del ácido; luego se calcula $-\log$.
  • Base fuerte: se obtiene $[\text{OH}^-]$ a partir de la concentración, y luego se usa $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
  • Ácido débil: solo se ioniza parcialmente, por lo que se usa $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ de ácido clorhídrico (un ácido fuerte).

Se ioniza completamente, así que $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, lo que da $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ de hidróxido de sodio (una base fuerte). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

$[\text{OH}^-] = 0.10$, por lo tanto $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, lo que da $\text{pH} = 13.0$.

Ejemplo resuelto. Calcule el pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ de ácido etanoico (un ácido débil). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$
25.1

Buffer solutions · ⁨Soluciones amortiguadoras⁩
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 $7.4$.

Español

Una solución amortiguadora resiste los cambios de pH cuando se añade una pequeña cantidad de ácido o base. Se prepara a partir de un ácido débil y su base conjugada (por ejemplo, ácido etanoico y etanoato sódico).

Funciona porque la mezcla contiene reservas de ambos componentes:

  • Los $\text{H}^+$ añadidos son removidos por la base conjugada: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
  • Los $\text{OH}^-$ añadidos son removidos por el ácido débil: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.
Almacén amortiguador de HA y A-, con H+ añadido removido por A- y OH- añadido removido por HA
Un amortiguador mantiene reservas de un ácido débil y su base conjugada: el H$^+$ is mopped up by A$^-$ and added OH$^-$ añadido por HA, por lo que el pH apenas cambia

Para encontrar el pH, sustituya las concentraciones del ácido y su sal en la expresión de $K_a$. Los amortiguadores son importantes en los seres vivos —por ejemplo, $\text{HCO}_3^-$ mantiene el pH de la sangre cerca de $7.4$.

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Buffers y la curva de titulación

Añade álcali al ácido: la parte plana es donde un buffer resiste el cambio de pH, y el salto empinado es el punto de equivalencia.

25.1

Solubility product · ⁨Producto de solubilidad⁩
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.

Español

Para una sal que se disuelve muy poco, el producto de solubilidad ($K_{\text{sp}}$) es el producto de las concentraciones de los iones en una solución saturada, cada uno elevado a la potencia correspondiente a su número en la fórmula:

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

Puede calcular $K_{\text{sp}}$ a partir de la solubilidad, o la solubilidad a partir de $K_{\text{sp}}$.

Estalactitas colgando del techo de una cueva
Las estalactitas crecen a medida que el carbonato cálcico disuelto vuelve lentamente a salir de la solución — un verdadero equilibrio de solubilidad

Efecto del ion común

El efecto del ion común es la forma en que una sal se vuelve menos soluble en una solución que ya contiene uno de sus propios iones. El ion adicional desplaza el equilibrio de disolución hacia atrás (Le Chatelier), por lo que se disuelve menos sal. Puede calcular la nueva solubilidad usando $K_{\text{sp}}$ y la concentración del ion común.

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Laboratorio de producto de solubilidad

producto iónico comparado con Ksp

Aumentar la concentración iónica y ver cuándo se vuelve probable la precipitación.

25.2

Partition coefficients · ⁨Coeficientes de partición⁩
Syllabus
English
  1. state what is meant by the term partition coefficient, $K_{\text{pc}}$
  2. calculate and use a partition coefficient for a system in which the solute is in the same physical state in the two solvents
  3. understand the factors affecting the numerical value of a partition coefficient in terms of the polarities of the solute and the solvents used
Español
  1. exponga lo que se entiende por el término coeficiente de partición, $K_{\text{pc}}$
  2. calcule y utilice un coeficiente de partición para un sistema en el que el soluto se encuentra en el mismo estado físico en los dos disolventes
  3. comprenda los factores que afectan al valor numérico de un coeficiente de partición en términos de las polaridades del soluto y de los disolventes utilizados

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fuente: Plan de estudios 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.

Español

Cuando un soluto se agita con dos disolventes que no se mezclan, se distribuye entre ellos. El coeficiente de partición ($K_{\text{pc}}$) es la relación de sus concentraciones en las dos capas (a temperatura constante):

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

Esto aplica cuando el soluto tiene el mismo estado físico en ambos disolventes. El valor depende de la polaridad del soluto y de cada disolvente: un soluto no polar se disuelve más en el disolvente no polar, mientras que un soluto polar prefiere el disolvente polar.

Dos capas de disolventes inmiscibles con un soluto distribuido entre ellas, más en la capa superior no polar que en el agua inferior
Un soluto agitado con dos disolventes inmiscibles se distribuye entre ellos; el coeficiente de partición es la relación de sus concentraciones en las dos capas
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Laboratorio de coeficiente de partición

Kpc = concentración orgánica / concentración acuosa

Cambie la concentración en la capa orgánica y observe la razón de partición.

Vocabulary · ⁨Vocabulario⁩ Train · ⁨Entrenar⁩
English · ⁨Inglés⁩ Chinese · ⁨Chino⁩ Pinyin
solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
polarity/pəʊˈlærɪti/ 极性 jí xìng
solvent/ˈsɒlvənt/ 溶剂 róng jì
25.2

Exam tips · ⁨Consejos para el examen⁩
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 $[\text{H}^+]$.
Español
  • $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; para un ácido fuerte $[\text{H}^+]$ = concentración, para un ácido débil use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
  • Para una base, obtenga $[\text{H}^+]$ de $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
  • Para un amortiguador, use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ y explique cómo elimina el $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$ añadido.
  • Escriba la expresión de $K_{sp}$ con los exponentes correctos; el número de decimales en un pH equivale a las cifras significativas de $[\text{H}^+]$.

Interactive lessons on this topic · ⁨Lecciones interactivas sobre este tema⁩

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