Equilíbrios

Química do A-Level · Topic 25 · ⁨Tópico 25⁩

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25.1

Conjugate acids and bases · ⁨Ácidos e bases conjugados⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩

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

Português

compreender e usar os termos ácido conjugado e base conjugada
definir pares ácido-base conjugados, identificando tais pares em reações
definir matematicamente os termos pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ e $K_w$ e usá-los em cálculos ($K_b$ e a equação $K_w = K_a \times K_b$ não serão cobrados)
calcular $[\text{H}^+(\text{aq})]$ e valores de pH para: (a) ácidos fortes (b) bases fortes (c) ácidos fracos
(a) definir uma solução tampão (b) explicar como uma solução tampão pode ser preparada (c) explicar como soluções tampões controlam o pH; usar equações químicas nessas explicações (d) descrever e explicar os usos de soluções tampão, incluindo o papel de $\text{HCO}_3^-$ no controle do pH no sangue
calcular o pH de soluções tampão, dados dados apropriados
compreender e usar o termo produto de solubilidade, $K_{\text{sp}}$
escrever uma expressão para $K_{\text{sp}}$
calcular $K_{\text{sp}}$ a partir de concentrações e vice-versa
(a) compreender e usar o efeito do íon comum para explicar a diferente solubilidade de um composto em uma solução contendo um íon comum (b) realizar cálculos usando valores de $K_{\text{sp}}$ e a concentração de um íon comum

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa 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).

Português

Curva de titulação e ponto de equivalência

Quando um ácido de Brønsted perde um $\text{H}^+$, o que resta é sua base conjugada 共轭碱. Quando uma base ganha um $\text{H}^+$, ela se torna seu ácido conjugado 共轭酸. As duas espécies que diferem por apenas um $\text{H}^+$ formam um par ácido-base conjugado 共轭酸碱对.

Por exemplo, em $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, o par é $\text{CH}_3\text{COOH}$ (ácido) e $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (sua base conjugada).

Ácido etanoico perdendo um próton para sua base conjugada, e amônia ganhando um próton para seu ácido conjugado, com o par conjugado entre colchetes — Pares conjugados diferem por um próton: um ácido perde H$^+$ para dar sua base conjugada; uma base ganha H$^+$ para dar seu ácido conjugado

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pH e concentração de H⁺

pH = −log[H⁺]: arraste-o e observe [H⁺] mudar dez vezes por unidade. Um par ácido-base conjugado difere por um único próton.

25.1

pH and the equilibrium constants · ⁨pH e constantes de equilíbrio⁩

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). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

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

Português

pH mede acidez: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, então $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
a constante de dissociação ácida 酸解离常数 de um ácido fraco $\text{HA}$ é $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, e $\text{p}K_a = -\log K_a$. Um $K_a$ maior ($\text{p}K_a$ menor) significa um ácido mais forte.
o produto iônico da água 水的离子积 é $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ em $298\ \text{K}$.

A escala de pH vai do ácido ao neutro e depois ao alcalino, com pH = -log da concentração de íons hidrogênio — A escala de pH: pH = -log da concentração de íons hidrogênio

Tiras de papel de pH ao lado de uma tabela de cores — O papel de pH estima o pH de uma solução pela cor que ele assume

Calculando o pH

ácido forte 强酸: totalmente ionizado, então $[\text{H}^+]$ iguala a concentração do ácido; depois tire o $-\log$.
base forte 强碱: encontre $[\text{OH}^-]$ a partir da concentração, depois use $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
ácido fraco 弱酸: parcialmente ionizado, então use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Exemplo resolvido. Encontre o pH de $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ ácido clorídrico (um ácido forte).

É totalmente ionizado, então $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, resultando em $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Exemplo resolvido. Encontre o pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ hidróxido de sódio (uma base forte). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

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

Exemplo resolvido. Encontre o pH de $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ ácido etanoico (um ácido fraco). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

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

25.1

Buffer solutions · ⁨Soluções tampão⁩

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 $7.4$.

Português

Uma solução tampão 缓冲溶液 resiste a mudanças de pH quando uma pequena quantidade de ácido ou base é adicionada. Ela é preparada a partir de um ácido fraco e sua base conjugada (por exemplo, ácido etanoico e etanoato de sódio).

Isso funciona porque a mistura armazena ambos os parceiros:

o $\text{H}^+$ adicionado é removido pela base conjugada: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
o $\text{OH}^-$ adicionado é removido pelo ácido fraco: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.

Um reservatório de tampão HA e A-, com H+ adicionado removido por A- e OH- adicionado removido por HA — Um tampão armazena um ácido fraco e sua base conjugada: H$^+$ adicionado é absorvido por A$^-$ e OH$^-$ adicionado por HA, então o pH mal muda

Para encontrar o pH, coloque as concentrações do ácido e sua sal no $K_a$ expressão. Tampões são importantes em seres vivos — por exemplo, $\text{HCO}_3^-$ mantém o pH do sangue próximo a $7.4$.

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Tampones e a curva de titulação

Adicione base ao ácido: a parte plana é onde um tampone resiste à mudança de pH, e a subida íngreme é o ponto de equivalência.

25.1

Solubility product · ⁨Produto de solubilidade⁩

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.

Português

Para um sal pouco solúvel, o produto de solubilidade 溶度积 ($K_{\text{sp}}$) é o produto das concentrações dos íons em uma solução saturada, cada um elevado à potência do seu número na fórmula:

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

Você pode encontrar $K_{\text{sp}}$ a partir da solubilidade, ou a solubilidade a partir de $K_{\text{sp}}$.

Estalactites penduradas no teto de uma caverna — Estalactites crescem conforme o carbonato de cálcio dissolvido lentamente volta à solução — um verdadeiro equilíbrio de solubilidade

Efeito do íon comum

O efeito do íon comum 同离子效应 é a forma como um sal se torna menos solúvel em uma solução que já contém um de seus íons. O íon extra empurra o equilíbrio de dissolução de volta (Le Chatelier), então menos sal dissolve. Você pode calcular a nova solubilidade usando $K_{\text{sp}}$ e a concentração do íon comum.

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Laboratório de produto de solubilidade

produto iônico comparado com Ksp

Aumentar a concentração de íons e ver quando a precipitação torna-se provável.

25.2

Partition coefficients · ⁨Coeficientes de partição⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩

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

Português

enunciar o que se entende pelo termo coeficiente de partição, $K_{\text{pc}}$
calcular e usar um coeficiente de partição para um sistema em que o soluto está no mesmo estado físico nos dois solventes
compreender os fatores que afetam o valor numérico de um coeficiente de partição em termos das polaridades do soluto e dos solventes usados

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa 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.

Português

Quando um soluto é agitado com dois solventes imiscíveis, ele se distribui entre eles. O coeficiente de partição 分配系数 ($K_{\text{pc}}$) é a razão de suas concentrações nas duas camadas (a temperatura constante):

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

Isso funciona quando o soluto 溶质 está no mesmo estado físico em ambos os solventes. O valor depende da polaridade 极性 do soluto e de cada solvente 溶剂: um soluto apolar dissolve-se mais no solvente apolar, enquanto um soluto polar prefere o solvente polar.

Duas camadas de solventes imiscíveis com um soluto distribuído entre elas, mais na camada superior apolar do que na água abaixo — Um soluto agitado com dois solventes imiscíveis se distribui entre eles; o coeficiente de partição é a razão de suas concentrações nas duas camadas

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Laboratório de coeficiente de partição

Kpc = concentração orgânica / concentração aquosa

Altere a concentração da camada orgânica e observe a razão de partição.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩

English · ⁨Inglês⁩	Chinese · ⁨Chinês⁩	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
solute/ˈsɒljuːt/	溶质	róng zhì
polarity/pəʊˈlærɪti/	极性	jí xìng
solvent/ˈsɒlvənt/	溶剂	róng jì

25.2

Exam tips · ⁨Dicas de prova⁩

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 $[\text{H}^+]$.

Português

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; para um ácido forte $[\text{H}^+]$ = concentração, para um ácido fraco use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
Para uma base, obtenha $[\text{H}^+]$ de $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
Para um tampão use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ e explique como ele remove $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$ adicionados.
Escreva a expressão $K_{sp}$ com os poderes corretos; o número de casas decimais no pH equivale às algarismos significativos de $[\text{H}^+]$.

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