Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩
Subjects · ⁨Предметы⁩

AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩

Tips · ⁨Советы⁩

AP Chemistry runs from atomic structure and periodicity through bonding and molecular geometry, intermolecular forces, stoichiometry and solutions, kinetics, thermodynamics, equilibrium, acids and bases, and electrochemistry. The through-line is particle-level explanation: nearly every question ends in "explain why", and the answer must talk about particles, forces and energy.

Two ideas carry the most marks. Intermolecular forces explain boiling points, solubility and chromatography. Le Châtelier's principle explains every shift in an equilibrium. Learn both properly and a large part of the paper opens up.

A calculation without units and significant figures is an incomplete answer.

The notes follow the nine CED units, each with worked examples and the relationships given on the exam's equation sheet. Past FRQs and scoring guidelines are in the library — chemistry's long questions pay for explaining behaviour at the particle level, so the model answers are written in that register.

  • 1

    Atomic Structure and Properties · ⁨Атомная структура и свойства⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    1.1

    Moles and Molar Mass · ⁨Моли и молярная масса⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.1.A: Calculate quantities of a substance or its relative number of particles using dimensional analysis and the mole concept.

    • 1.1.A.1 One cannot count particles directly while performing laboratory work. Thus, there must be a connection between the masses of substances reacting and the actual number of particles undergoing chemical changes.
    • 1.1.A.2 Avogadro's number ($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$) provides the connection between the number of moles in a pure sample of a substance and the number of constituent particles (or formula units) of that substance.
    • 1.1.A.3 Expressing the mass of an individual atom or molecule in atomic mass units (amu) is useful because the average mass in amu of one particle (atom or molecule) or formula unit of a substance will always be numerically equal to the molar mass of that substance in grams. Thus, there is a quantitative connection between the mass of a substance and the number of particles that the substance contains.
      • Equation: $n = m/M$
    Русский

    Цель обучения 1.1.A: Вычислять количества вещества или относительное число его частиц, используя анализ размерностей и понятие моля.

    • 1.1.A.1 При проведении лабораторных работ нельзя подсчитывать частицы напрямую. Следовательно, должна существовать связь между массами реагирующих веществ и фактическим числом частиц, претерпевающих химические изменения.
    • 1.1.A.2 Число Авогадро ($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$) обеспечивает связь между количеством молей в чистом образце вещества и числом составляющих его частиц (или формульных единиц) этого вещества.
    • 1.1.A.3 Выражение массы отдельного атома или молекулы в атомных единицах массы (а.е.м.) полезно, потому что средняя масса в а.е.м. одной частицы (атома или молекулы) или формульной единицы вещества всегда численно равна молярной массе этого вещества в граммах. Таким образом, существует количественная связь между массой вещества и числом частиц, которые оно содержит.
      • Уравнение: $n = m/M$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Because atoms are far too small to count, chemists count in moles 摩尔. One mole is Avogadro's number 阿伏伽德罗常数 of particles, $N_A=6.022\times10^{23}$. The molar mass 摩尔质量 (grams per mole, read off the periodic table) converts between mass and moles:

    $$n=\frac{m}{M}.$$
    Moles are the bridge between the lab (grams you weigh) and the equation (particles that react).

    Worked example. How many moles, and how many molecules, are in $36.0\ \text{g}$ of water ($M=18.0\ \text{g/mol}$)?

    $$n=\frac{m}{M}=\frac{36.0}{18.0}=2.0\ \text{mol},\qquad N=n\,N_A=2.0\times6.022\times10^{23}=1.2\times10^{24}\ \text{molecules}.$$

    Русский

    Поскольку атомы слишком малы для подсчета, химики считают в молях. Один моль — это число частиц Авогадро, равное $N_A=6.022\times10^{23}$. Молярная масса (граммы на моль, берется из таблицы Менделеева) связывает массу и количество вещества:

    $$n=\frac{m}{M}.$$
    Моль — это мостик между лабораторией (масса в граммах) и уравнением реакции (частицы, вступающие в реакцию).

    Моль является центральным звеном: конвертация между массой, частицами, объемом газа и концентрацией
    Моль является центральным звеном: конвертация между массой, частицами, объемом газа и концентрацией

    Разобранный пример. Сколько молей и сколько молекул содержится в $36.0\ \text{g}$ воды ($M=18.0\ \text{g/mol}$)?

    $$n=\frac{m}{M}=\frac{36.0}{18.0}=2.0\ \text{mol},\qquad N=n\,N_A=2.0\times6.022\times10^{23}=1.2\times10^{24}\ \text{molecules}.$$

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Link mass, moles and molar mass · ⁨Свяжите массу, количество вещества и молярную массу⁩

    Molar mass $M$ is the bridge between the mass you weigh and the number of moles: $m = M \times n$. Because $M$ is fixed for a substance, mass is proportional to moles — double the moles, double the mass. · ⁨Молярная масса $M$ служит связью между массой, которую вы измеряете, и количеством вещества (моль): $m = M \times n$. Поскольку $M$ является постоянной величиной для данного вещества, масса пропорциональна количеству вещества: при удвоении количества вещества масса также удваивается.⁩

    1.2

    Mass Spectra of Elements · ⁨Масс-спектры элементов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.2.A: Explain the quantitative relationship between the mass spectrum of an element and the masses of the element's isotopes.

    • 1.2.A.1 The mass spectrum of a sample containing a single element can be used to determine the identity of the isotopes of that element and the relative abundance of each isotope in nature.
    • 1.2.A.2 The average atomic mass of an element can be estimated from the weighted average of the isotopic masses using the mass of each isotope and its relative abundance.
      • Exclusion Statement: Interpreting mass spectra of samples containing multiple elements or peaks arising from species other than singly charged monatomic ions will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 1.2.A: Объяснять количественную связь между масс-спектром элемента и массами изотопов этого элемента.

    • 1.2.A.1 Масс-спектр образца, содержащего только один элемент, можно использовать для определения тождества изотопов этого элемента и их относительного содержания в природе.
    • 1.2.A.2 Среднюю атомную массу элемента можно оценить как взвешенное среднее изотопных масс, используя массу каждого изотопа и его относительное содержание.
      • Исключение: Интерпретация масс-спектров образцов, содержащих несколько элементов, или пиков, возникающих от видов, отличных от одновалентных моноатомных ионов, не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Mass spectrometry

    A mass spectrometer 质谱仪 separates atoms by mass, giving a mass spectrum 质谱: peaks at each isotope 同位素 (same element, different neutron count) with heights showing their relative abundance 相对丰度. The element's average atomic mass is the abundance-weighted average of its isotope masses.

    Worked example. Chlorine is $75.8\%$ chlorine-35 and $24.2\%$ chlorine-37. Its average atomic mass is

    $$A_r=(35)(0.758)+(37)(0.242)=26.5+8.95=35.5.$$
    The average lies closer to $35$ because that isotope is more abundant – which is why the periodic-table value is $35.5$, not a whole number.

    Русский
    Масс-спектрометрия

    Масс-спектрометр разделяет атомы по массе, давая масс-спектр: пики у каждого изотопа (один элемент, разное число нейтронов), высота которых отражает их относительную распространенность. Средняя атомная масса элемента представляет собой взвешенное среднее масс его изотопов.

    Относительная атомная масса — среднее значение изотопов, взвешенное по их распространенности
    Относительная атомная масса — это взвешенное среднее изотопов
    Масс-спектр хлора: два изотопа с разной распространенностью
    Масс-спектр хлора: два изотопа с разной распространенностью

    Разобранный пример. Хлор состоит на $75.8\%$ из хлора-35 и на $24.2\%$ из хлора-37. Его средняя атомная масса равна

    $$A_r=(35)(0.758)+(37)(0.242)=26.5+8.95=35.5.$$
    Среднее значение ближе к $35$, потому что этот изотоп более распространен – именно поэтому значение в таблице Менделее равно $35.5$, а не целому числу.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore isotopes — same element, different mass · ⁨Исследование изотопов — одинаковый элемент, разная масса⁩

    Keep the protons fixed but change the neutrons to build the two chlorine isotopes ($^{35}$Cl and $^{37}$Cl). Same element, different mass — exactly the peaks a mass spectrum shows. · ⁨Оставьте протоны неизменными, но измените нейтроны, чтобы построить два изотопа хлора ($^{35}$Cl и $^{37}$Cl). Один и тот же элемент, разная масса — именно такие пики показывает масс-спектр.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    moles/məʊlz/ моли
    Avogadro's number/ˌævəˈɡædrəʊz ˈnʌmbə/ числа Авогадро
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ молярной массе
    mass spectrometer/mæs spekˈtrɒmɪtə/ масс-спектрометр
    mass spectrum/mæs ˈspektrəm/ масс-спектр
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ изотопом
    relative abundance/ˈrelətɪv əˈbʌndəns/ относительная обильность
    percent composition/pəˈsent ˌkɒmpəˈzɪʃn/ процентный состав
    1.3

    Elemental Composition of Pure Substances · ⁨Элементный состав чистых веществ⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.3.A: Explain the quantitative relationship between the elemental composition by mass and the empirical formula of a pure substance.

    • 1.3.A.1 Some pure substances are composed of individual molecules, while others consist of atoms or ions held together in fixed proportions as described by a formula unit.
    • 1.3.A.2 According to the law of definite proportions, the ratio of the masses of the constituent elements in any pure sample of that compound is always the same.
    • 1.3.A.3 The chemical formula that lists the lowest whole number ratio of atoms of the elements in a compound is the empirical formula.
    Русский

    Цель обучения 1.3.A: Объяснять количественную связь между элементным составом по массе и эмпирической формулой чистого вещества.

    • 1.3.A.1 Некоторые чистые вещества состоят из отдельных молекул, тогда как другие представляют собой совокупность атомов или ионов, удерживаемых вместе в фиксированных пропорциях, описываемых формульной единицей.
    • 1.3.A.2 Согласно закону постоянства состава, соотношение масс составляющих элементов в любом чистом образце данного соединения всегда одинаково.
    • 1.3.A.3 Химическая формула, указывающая наименьшее целочисленное отношение атомов элементов в соединении, называется эмпирической формулой.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The percent composition 百分组成 of a compound is each element's mass fraction. From it you find the empirical formula 实验式 (simplest whole-number ratio of atoms) by converting each element's mass to moles and dividing by the smallest. The molecular formula 分子式 is a whole-number multiple of the empirical formula, found from the molar mass.

    Worked example. A compound is $40.0\%$ C, $6.7\%$ H, and $53.3\%$ O by mass. Assuming $100\ \text{g}$, convert each mass to moles and divide by the smallest:

    $$\text{C}:\frac{40.0}{12}=3.33,\quad \text{H}:\frac{6.7}{1}=6.7,\quad \text{O}:\frac{53.3}{16}=3.33 \;\xrightarrow{\div 3.33}\; 1:2:1,$$
    so the empirical formula is $\text{CH}_2\text{O}$. If the molar mass were $180\ \text{g/mol}$ ($=6\times30$), the molecular formula would be $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ – glucose.

    Русский

    Процентный состав соединения — это массовая доля каждого элемента. По нему можно найти эмпирическую формулу (простейшее целочисленное соотношение атомов), переведя массу каждого элемента в моли и разделив на наименьшее значение. Молекулярная формула является целочисленным кратным эмпирической формулы и определяется по молярной массе.

    Определение эмпирической формулы: масса переводится в моли, делится на наименьшее значение, читается соотношение
    Нахождение эмпирической формулы: масса в моли, деление на наименьшее, чтение соотношения

    Разобранный пример. Соединение содержит по массе $40.0\%$ углерода, $6.7\%$ водорода и $53.3\%$ кислорода. Принимая, что образец весит $100\ \text{g}$, переведем каждую массу в моли и разделим на наименьшее:

    $$\text{C}:\frac{40.0}{12}=3.33,\quad \text{H}:\frac{6.7}{1}=6.7,\quad \text{O}:\frac{53.3}{16}=3.33 \;\xrightarrow{\div 3.33}\; 1:2:1,$$
    таким образом, эмпирическая формула равна $\text{CH}_2\text{O}$. Если бы молярная масса составляла $180\ \text{g/mol}$ ($=6\times30$), молекулярная формула была бы $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ – глюкоза.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ эмпирическая формула
    molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ молекулярная формула
    mixture/ˈmɪkstʃə/ смеси
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ ядро
    electron configuration/ɪˈlektrɒn kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/ электронная конфигурация
    valence electrons/ˈveɪləns ɪˈlektrɒnz/ валентные электроны
    Photoelectron spectroscopy/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɒn spekˈtrɒskəpi/ Фотоэлектронная спектроскопия
    Atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ Атомный радиус
    Ionization energy/ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/ Энергия ионизации
    1.4

    Composition of Mixtures · ⁨Состав смесей⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.4.A: Explain the quantitative relationship between the elemental composition by mass and the composition of substances in a mixture.

    • 1.4.A.1 Pure substances contain atoms, molecules, or formula units of a single type. Mixtures contain atoms, molecules, or formula units of two or more types, whose relative proportions can vary.
    • 1.4.A.2 Elemental analysis can be used to determine the relative numbers of atoms in a substance and to determine its purity.
    Русский

    Цель обучения 1.4.A: Объяснять количественную связь между элементным составом по массе и составом веществ в смеси.

    • 1.4.A.1 Чистые вещества содержат атомы, молекулы или формульные единицы одного типа. Смеси содержат атомы, молекулы или формульные единицы двух или более типов, относительные пропорции которых могут варьироваться.
    • 1.4.A.2 Элементный анализ можно использовать для определения относительного числа атомов в веществе и для оценки его чистоты.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Unlike a pure compound, a mixture 混合物 has variable composition – its parts keep their own identities. Describe a mixture by the mass or mole fraction of each component; these do not follow a fixed formula. Spectroscopy (like PES or absorption) can measure how much of each component is present.

    Русский

    В отличие от чистого соединения, смесь имеет переменный состав – ее компоненты сохраняют свои свойства. Смесь описывают через массовую или мольную долю каждого компонента; они не подчиняются строгому закону постоянства состава. Спектроскопия (например, ПЭСП или поглощение) позволяет определить количество каждого компонента.

    1.5

    Atomic Structure and Electron Configuration · ⁨Атомное строение и электронная конфигурация⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.5.A: Represent the ground-state electron configuration of an atom of an element or its ions using the Aufbau principle.

    • 1.5.A.1 The atom is composed of negatively charged electrons and a positively charged nucleus that is made of protons and neutrons.
    • 1.5.A.2 Coulomb's law is used to calculate the force between two charged particles.
      • Equation: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
    • 1.5.A.3 In atoms and ions, the electrons can be thought of as being in "shells (energy levels)" and "subshells (sublevels)," as described by the ground-state electron configuration. Inner electrons are called core electrons, and outer electrons are called valence electrons. The electron configuration is explained by quantum mechanics, as delineated in the Aufbau principle and exemplified in the periodic table of the elements.
      • Exclusion Statement: The assignment of quantum numbers to electrons in subshells of an atom will not be assessed on the AP Exam.
    • 1.5.A.4 The relative energy required to remove an electron from different subshells of an atom or ion or from the same subshell in different atoms or ions (ionization energy) can be estimated through a qualitative application of Coulomb's law. This energy is related to the distance from the nucleus and the effective (shield) charge of the nucleus.
    Русский

    Цель обучения 1.5.A: Представлять основное состояние электронной конфигурации атома элемента или его ионов, используя принцип Aufbau.

    • 1.5.A.1 Атом состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженного ядра, которое образовано протонами и нейтронами.
    • 1.5.A.2 Закон Кулона используется для расчета силы взаимодействия между двумя заряженными частицами.
      • Уравнение: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
    • 1.5.A.3 В атомах и ионах электроны можно рассматривать как находящиеся в «оболочках (энергетических уровнях)» и «подуровнях», как описано основной электронной конфигурацией. Внутренние электроны называются основными электронами, а внешние — валентными электронами. Электронная конфигурация объясняется квантовой механикой, как это определено принципом Aufbau и проиллюстрировано в периодической таблице элементов.
      • Исключение: Присвоение квантовых чисел электронам в подуровнях атома не будет проверяться на экзамене AP.
    • 1.5.A.4 Относительную энергию, необходимую для удаления электрона из различных подуровней атома или иона, или из одного и того же подуровня в разных атомах или ионах (энергию ионизации), можно оценить, применяя закон Кулона в качественном плане. Эта энергия связана с расстоянием до ядра и эффективной (экранирующей) зарядом ядра.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An atom is a tiny nucleus 原子核 (protons and neutrons) surrounded by electrons in shells and subshells (s, p, d, f). The electron configuration 电子排布 lists how electrons fill these, lowest energy first (e.g. $1s^2\,2s^2\,2p^6$). The outermost, highest-energy electrons – the valence electrons 价电子 – control chemistry. Coulomb's law explains their energies: electrons closer to, and less shielded from, the nucleus are held more tightly.

    Worked example. Write the electron configuration of sulfur ($Z=16$). Fill subshells in order until $16$ electrons are placed: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$. The $3s$ and $3p$ electrons (six in total) are the valence electrons, so sulfur tends to gain two electrons to complete its octet.

    Русский

    Атом состоит из крошечного ядра (протоны и нейтроны), окруженного электронами в оболочках и подуровнях (s, p, d, f). Электронная конфигурация показывает, как заполняются эти уровни, начиная с наименьшей энергии (например, $1s^2\,2s^2\,2p^6$). Внешние электроны с наибольшей энергией – валентные электроны – определяют химические свойства. Закон Кулона объясняет их энергию: электроны, расположенные ближе к ядру и менее экранированные им, удерживаются прочнее.

    Атом: крошечное ядро из протонов и нейтронов, с электронами на оболочках
    Атом: крошечное ядро из протонов и нейтронов, с электронами на оболочках
    Ряд из девяти горящих чашек, каждая пламя имеет свой яркий цвет — малиновый, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый
    Огневые пробы: каждый ион металла дает свой цвет, так как тепло возбуждает его электроны, которые при возвращении на исходный уровень испускают свет определенной длины волны

    Разобранный пример. Запишите электронную конфигурацию серы ($Z=16$). Заполняйте подуровни по порядку, пока не разместите $16$ электронов: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$. Электроны на $3s$ и $3p$ уровнях (всего шесть) являются валентными, поэтому сера стремится принять два электрона для завершения октета.

    Периодическая таблица упорядочивает элементы по атомному строению — электронная конфигурация объясняет наблюдаемые закономерности
    Периодическая таблица организует элементы по атомному строению — электронная конфигурация объясняет закономерности
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore how electrons fill the shells · ⁨Исследование заполнения электронных оболочек⁩

    Change the atomic number $Z$ and watch the electrons fill the shells lowest-energy-first (the Aufbau principle 构造原理). The outermost electrons are the valence electrons that drive bonding. · ⁨Измените атомный номер $Z$ и наблюдайте, как электроны заполняют оболочки снизу вверх по энергии (согласно принципу Ауге构造原理). Внешние электроны — это валентные электроны, обеспечивающие образование химических связей.⁩

    1.6

    Photoelectron Spectroscopy · ⁨Фотоэлектронная спектроскопия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.6.A: Explain the relationship between the photoelectron spectrum of an atom or ion and: i. The ground-state electron configuration of the species. ii. The interactions between the electrons and the nucleus.

    • 1.6.A.1 The energies of the electrons in a given shell can be measured experimentally with photoelectron spectroscopy (PES). The position of each peak in the PES spectrum is related to the energy required to remove an electron from the corresponding subshell, and the relative height of each peak is (ideally) proportional to the number of electrons in that subshell.
    Русский

    Цель обучения 1.6.A: Объяснять связь между фотоэлектронным спектром атома или иона и: i. Основной электронной конфигурацией вида. ii. Взаимодействиями между электронами и ядром.

    • 1.6.A.1 Энергии электронов в данной оболочке могут быть измерены экспериментально с помощью фотоэлектронной спектроскопии (PES). Положение каждого пика в спектре PES связано с энергией, необходимой для удаления электрона из соответствующего подуровня, а относительная высота каждого пика (в идеале) пропорциональна числу электронов в этом подуровне.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Photoelectron spectroscopy 光电子能谱 (PES) measures the energy needed to remove electrons from each subshell. Each peak is a subshell: its position gives the binding energy (how tightly held) and its height gives the number of electrons in it. PES data let you read an element's electron configuration and confirm shell structure directly.

    Русский

    Фотоэлектронная спектроскопия (ПЭСП) измеряет энергию, необходимую для удаления электронов из каждого подуровня. Каждый пик соответствует подуровню: его положение указывает энергию связи (прочность удержания), а высота – количество электронов в нем. Данные ПЭСП позволяют определить электронную конфигурацию элемента и подтвердить структуру оболочек напрямую.

    Последовательные энергии ионизации выявляют оболочечную структуру через резкие скачки
    Последовательные энергии ионизации раскрывают структуру оболочек через резкие скачки
    Фотоэлектронный спектр неона: один пик на каждый подслой, высота определяется количеством электронов
    Фотоэлектронный спектр неона: один пик на подуровень, высота зависит от числа электронов
    1.7

    Periodic Trends · ⁨Периодические тенденции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.7.A: Explain the relationship between trends in atomic properties of elements and electronic structure and periodicity.

    • 1.7.A.1 The organization of the periodic table is based on patterns of recurring properties of the elements, which are explained by patterns of ground-state electron configurations and the presence of completely or partially filled shells (and subshells) of electrons in atoms.
      • Exclusion Statement: Writing the electron configuration of elements that are exceptions to the aufbau principle will not be assessed on the AP Exam.
    • 1.7.A.2 Trends in atomic properties within the periodic table (periodicity) can be predicted by the position of the element on the periodic table and qualitatively understood using Coulomb's law, the shell model, and the concepts of shielding and effective nuclear charge. These properties include:
      • i. Ionization energy
      • ii. Atomic and ionic radii
      • iii. Electron affinity
      • iv. Electronegativity.
    • 1.7.A.3 The periodicity (in 1.7.A.2) is useful to predict/estimate values of properties in the absence of data.
    Русский

    Цель обучения 1.7.A: Объяснять связь между тенденциями атомных свойств элементов и электронной структурой и периодичностью.

    • 1.7.A.1 Структура периодической таблицы основана на закономерностях повторяющихся свойств элементов, которые объясняются закономерностями основных электронных конфигураций и наличием полностью или частично заполненных оболочек (и подуровней) электронов в атомах.
      • Исключение: На экзамене AP не будет проверяться умение записывать электронные конфигурации элементов, являющихся исключениями из принципа Аунбау.
    • 1.7.A.2 Закономерности изменения атомных свойств в периодической системе (периодичность) можно предсказать по положению элемента в таблице Менделеева и качественно объяснить с помощью закона Кулона, оболочковой модели, а также понятий экранирования и эффективного заряда ядра. К таким свойствам относятся:
      • i. Энергия ионизации
      • ii. Атомные и ионные радиусы
      • iii. Электронное сродство
      • iv. Электроотрицательность.
    • 1.7.A.3 Периодичность (см. 1.7.A.2) полезна для прогнозирования/оценки значений свойств при отсутствии экспериментальных данных.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Trends across the periodic table follow from nuclear charge and shielding:

    • Atomic radius 原子半径 decreases across a period (stronger pull) and increases down a group (more shells).
    • Ionization energy 电离能 (energy to remove an electron) increases across, decreases down – opposite to radius.
    • Electronegativity 电负性 (pull on shared electrons) increases across and up, toward fluorine.
    Русский

    Тенденции в периодической таблице обусловлены зарядом ядра и экранированием:

    Электроотрицательность возрастает вдоль периода и убывает вдоль группы
    Электроотрицательность растет по периоду и убывает по группе
    • Атомный радиус уменьшается по периоду (более сильное притяжение) и увеличивается по группе (больше электронных слоев).
    • Энергия ионизации (энергия для удаления электрона) увеличивается по периоду, уменьшается по группам — противоположно радиусу.
    • Электроотрицательность (притяжение к общим электронам) увеличивается по периоду и вверх, стремясь к фтору.
    Периодические закономерности: как меняются радиус, энергия ионизации и электроотрицательность по периоду и по группе
    Периодические закономерности: как меняются радиус, энергия ионизации и электроотрицательность по периоду и по группе
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore atomic radius across a period · ⁨Исследуйте изменение атомного радиуса в периоде⁩

    Step across Period 3 and watch the atomic radius shrink — each added proton raises the effective nuclear charge and pulls the same shell in tighter. · ⁨Перемещайтесь по Периоду 3 и наблюдайте уменьшение атомного радиуса — каждый добавленный протон увеличивает эффективный заряд ядра и сильнее притягивает ту же оболочку к центру.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ Электроотрицательность
    cations/ˈkætaɪənz/ катионы
    anions/ˈænaɪənz/ анионы
    ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ ионное соединение
    1.8

    Valence Electrons and Ionic Compounds · ⁨Валентные электроны и ионные соединения⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 1.8.A: Explain the relationship between trends in the reactivity of elements and periodicity.

    • 1.8.A.1 The likelihood that two elements will form a chemical bond is determined by the interactions between the valence electrons and nuclei of elements.
    • 1.8.A.2 Elements in the same column of the periodic table tend to form analogous compounds.
    • 1.8.A.3 Typical charges of atoms in ionic compounds are governed by the number of valence electrons and predicted by their location on the periodic table.
    Русский

    Цель обучения 1.8.A: Объяснить связь между закономерностями реакционной способности элементов и периодичностью.

    • 1.8.A.1 Вероятность образования химической связи между двумя элементами определяется взаимодействием валентных электронов и ядер этих элементов.
    • 1.8.A.2 Элементы, находящиеся в одном столбце периодической таблицы, склонны образовывать аналогичные соединения.
    • 1.8.A.3 Типичные заряды атомов в ионных соединениях определяются числом валентных электронов и прогнозируются по их положению в периодической таблице.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Atoms gain, lose, or share valence electrons to reach stable configurations. Metals (low ionization energy) lose electrons to form cations 阳离子; nonmetals gain electrons to form anions 阴离子. Oppositely charged ions attract into an ionic compound 离子化合物, whose formula balances the charges to make the whole neutral. For example, aluminium ($3+$) and oxide ($2-$) combine as $\text{Al}_2\text{O}_3$ so the $+6$ and $-6$ cancel.

    Русский

    Атомы получают, отдают или разделяют валентные электроны, чтобы достичь стабильной конфигурации. Металлы (низкая энергия ионизации) теряют электроны, образуя катионы; неметаллы принимают электроны, образуя анионы. Ионы с противоположными зарядами притягиваются, образуя ионное соединение, формула которого балансирует заряды, делая всё вещество нейтральным. Например, алюминий ($3+$) и оксид ($2-$) соединяются как $\text{Al}_2\text{O}_3$, поэтому $+6$ и $-6$ компенсируют друг друга.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Watch an ionic bond form by electron transfer · ⁨Наблюдайте образование ионной связи через перенос электронов⁩

    A metal gives up its valence electron(s) and a non-metal takes them, so both reach a full shell. The atoms become oppositely charged ions that attract — that electrostatic pull is the ionic bond. · ⁨Металл отдаёт свои валентные электрон(-ы), а неметалл их принимает, благодаря чему обе частицы достигают завершенной оболочки. Атомы превращаются в заряженные ионы с противоположными знаками, которые притягиваются — это электростатическое притяжение и есть ионная связь.⁩

    1.8

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Use the mole as the hub: convert grams↔moles with $n=m/M$ and moles↔particles with Avogadro's number.
    • Relative atomic mass is the abundance-weighted average of the isotopes — it lies closer to the more abundant one, not halfway.
    • For an empirical formula, turn each element's mass into moles and divide by the smallest; scale up to whole numbers.
    • Read periodic trends from nuclear charge and shielding: atomic radius decreases across a period, ionisation energy and electronegativity increase across (and up).
    • Fill electron configurations in energy order; the outer valence electrons control the chemistry.
    Русский
    • Используйте моль как центральный элемент: переводите граммы↔моли с помощью $n=m/M$ и моли↔частицы с числом Авогадро.
    • Относительная атомная масса — это взвешенное среднее изотопов по их распространенности; она ближе к более распространенному изотопу, а не посередине.
    • Для эмпирической формулы переведите массу каждого элемента в моли и разделите на наименьшее значение; затем масштабировать до целых чисел.
    • Определяйте периодические закономерности по ядерному заряду и экранированию: атомный радиус уменьшается по периоду, энергия ионизации и электроотрицательность увеличиваются по периоду (и вверх).
    • Заполняйте электронные конфигурации в порядке возрастания энергии; внешние валентные электроны определяют химию.
  • 2

    Compound Structure and Properties · ⁨Структура соединений и их свойства⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    2.1

    Types of Chemical Bonds · ⁨Типы химических связей⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.1.A: Explain the relationship between the type of bonding and the properties of the elements participating in the bond.

    • 2.1.A.1 Electronegativity values for the representative elements increase going from left to right across a period and decrease going down a group. These trends can be understood qualitatively through the electronic structure of the atoms, the shell model, and Coulomb's law.
    • 2.1.A.2 Valence electrons shared between atoms of similar electronegativity constitute a nonpolar covalent bond. For example, bonds between carbon and hydrogen are effectively nonpolar even though carbon is slightly more electronegative than hydrogen.
    • 2.1.A.3 Valence electrons shared between atoms of unequal electronegativity constitute a polar covalent bond.
      • i. The atom with a higher electronegativity will develop a partial negative charge relative to the other atom in the bond.
      • ii. In single bonds, greater differences in electronegativity lead to greater bond dipoles.
      • iii. All polar bonds have some ionic character, and the difference between ionic and covalent bonding is not distinct but rather a continuum.
    • 2.1.A.4 The difference in electronegativity is not the only factor in determining if a bond should be designated as ionic or covalent. Generally, bonds between a metal and nonmetal are ionic, and bonds between two nonmetals are covalent. Examination of the properties of a compound is the best way to characterize the type of bonding.
    • 2.1.A.5 In a metallic solid, the valence electrons from the metal atoms are considered to be delocalized and not associated with any individual atom.
    Русский

    Цель обучения 2.1.A: Объяснить связь между типом химической связи и свойствами элементов, участвующих в ней.

    • 2.1.A.1 Значения электроотрицательности для представленных элементов увеличиваются слева направо в периоде и уменьшаются сверху вниз в группе. Эти закономерности можно качественно объяснить электронной структурой атомов, оболочковой моделью и законом Кулона.
    • 2.1.A.2 Валентные электроны, общие для атомов с одинаковой электроотрицательностью, образуют неполярную ковалентную связь. Например, связи между углеродом и водородом являются фактически неполярными, хотя электроотрицательность углерода несколько выше, чем у водорода.
    • 2.1.A.3 Валентные электроны, общие для атомов с разной электроотрицательностью, образуют полярную ковалентную связь.
      • i. Атом с более высокой электроотрицательностью приобретает частичный отрицательный заряд по отношению к другому атому в связи.
      • ii. В одинарных связях большие различия в электроотрицательности приводят к большему дипольному моменту связи.
      • iii. Все полярные связи имеют некоторую ионную природу, а граница между ионной и ковалентной связью не является четкой, а представляет собой непрерывный спектр.
    • 2.1.A.4 Разница в электроотрицательности — не единственный фактор при определении того, следует ли называть связь ионной или ковалентной. Как правило, связи между металлом и неметаллом являются ионными, а связи между двумя неметаллами — ковалентными. Анализ свойств соединения является лучшим способом характеристики типа химической связи.
    • 2.1.A.5 В металлическом твердом теле валентные электроны атомов металла считаются делокализованными и не принадлежащими какому-либо отдельному атому.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A chemical bond 化学键 is an attraction that holds atoms together. Which type forms depends on the atoms' electronegativities:

    • Ionic bond 离子键: electrons transfer from a metal to a nonmetal (large electronegativity difference).
    • Covalent bond 共价键: nonmetals share electrons (small difference). A big-but-not-huge difference gives a polar covalent 极性共价 bond.
    • Metallic bond 金属键: metal atoms share a "sea" of mobile electrons.
    Русский
    Кристаллы хлорида натрия: ионные твердые вещества образуют решетку из oppositely charged ионов
    Кристаллы хлорида натрия: ионные твердые вещества образуют решетку из oppositely charged ионов

    Химическая связь — это притяжение, удерживающее атомы вместе. Какой тип образуется, зависит от электроотрицательности атомов:

    Ионная связь: металл передает свои валентные электроны неметаллу
    Ионная связь: металл передает свои валентные электроны неметаллу
    • Ионная связь: электроны передаются от металла к неметаллу (большая разница в электроотрицательности).
    • Ковалентная связь: неметаллы делят электроны (малая разница). Большая, но не слишком большая разница дает полярную ковалентную связь.
    • Металлическая связь: атомы металла разделяют «море» подвижных электронов.
    Кристалл алмаза: гигантские ковалентные сети объясняют исключительную твердость и высокие температуры плавления
    Кристалл алмаза: гигантские ковалентные сети объясняют исключительную твердость и высокие температуры плавления
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Form an ionic bond by electron transfer · ⁨Образование ионной связи путём переноса электронов⁩

    An ionic bond forms when a metal gives electrons to a non-metal, making oppositely charged ions that attract; a covalent bond shares electrons instead. · ⁨Ионная связь образуется, когда металл отдаёт электроны неметаллу, создавая oppositely charged ions, которые притягиваются; ковалентная связь образуется за счёт общего использования электронов.⁩

    2.2

    Intramolecular Force and Potential Energy · ⁨Межъядерные силы и потенциальная энергия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.2.A: Represent the relationship between potential energy and distance between atoms, based on factors that influence the interaction strength.

    • 2.2.A.1 A graph of potential energy versus the distance between atoms (internuclear distance) is a useful representation for describing the interactions between atoms. Such graphs illustrate both the equilibrium bond length (the separation between atoms at which the potential energy is lowest) and the bond energy (the energy required to separate the atoms).
    • 2.2.A.2 In a covalent bond, the bond length is influenced by both the size of the atom's core and the bond order (i.e., single, double, triple). Bonds with a higher order are shorter and have larger bond energies.
    • 2.2.A.3 Coulomb's law can be used to understand the strength of interactions between cations and anions.
      • i. Because the interaction strength is proportional to the charge on each ion, larger charges lead to stronger interactions.
      • ii. Because the interaction strength increases as the distance between the centers of the ions (nuclei) decreases, smaller ions lead to stronger interactions.
    Русский

    Цель обучения 2.2.A: Изобразить зависимость потенциальной энергии от расстояния между атомами на основе факторов, влияющих на силу взаимодействия.

    • 2.2.A.1 График зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами (межъядерного расстояния) является удобным инструментом для описания взаимодействий между атомами. Такие графики иллюстрируют как равновесную длину связи (расстояние между атомами, при котором потенциальная энергия минимальна), так и энергию связи (энергию, необходимую для разделения атомов).
    • 2.2.A.2 В ковалентной связи длина связи зависит как от размера ядра атома, так и от кратности связи (т.е. одинарной, двойной, тройной). Связи с большей кратностью короче и обладают большей энергией связи.
    • 2.2.A.3 Закон Кулона может быть использован для объяснения силы взаимодействия между катионами и анионами.
      • i. Поскольку сила взаимодействия пропорциональна заряду каждого иона, бо́льшие заряды приводят к более сильному взаимодействию.
      • ii. Поскольку сила взаимодействия возрастает при уменьшении расстояния между центрами ионов (ядрами), меньшие размеры ионов приводят к более сильному взаимодействию.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    As two atoms approach, a potential energy 势能 curve captures the balance of attraction and repulsion. It dips to a minimum at the bond length 键长 (the stable separation) whose depth is the bond energy 键能. Shorter, stronger bonds sit in deeper, tighter wells; more shared pairs (double, triple bonds) give shorter, stronger bonds.

    Русский

    При приближении двух атомов кривая потенциальной энергии отражает баланс притяжения и отталкивания. Она имеет минимум на длине связи (стабильном расстоянии), глубина которого равна энергии связи. Более короткие и прочные связи находятся в более глубоких и узких потенциальных ямах; большее количество общих пар (двойные, тройные связи) приводит к более коротким и прочным связям.

    2.3

    Structure of Ionic Solids · ⁨Структура ионных твердых веществ⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.3.A: Represent an ionic solid with a particulate model that is consistent with Coulomb's law and the properties of the constituent ions.

    • 2.3.A.1 The cations and anions in an ionic crystal are arranged in a systematic, periodic 3-D array that maximizes the attractive forces among cations and anions while minimizing the repulsive forces.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific crystal structures is not essential to an understanding of the learning objective and will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 2.3.A: Изобразить ионное твердое тело с использованием частицевой модели, согласующейся с законом Кулона и свойствами составляющих ионов.

    • 2.3.А.1 Катионы и анионы в ионном кристалле расположены в систематической, периодической 3-мерной решетке, которая максимизирует силы притяжения между катионами и анионами при минимизации сил отталкивания.
      • Исключение: Знание конкретных кристаллических структур не требуется для понимания цели обучения и не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An ionic solid 离子固体 is a repeating 3-D lattice 晶格 of alternating cations and anions, held by strong electrostatic attraction. This explains their high melting points, brittleness, and why they conduct only when molten or dissolved (ions freed to move). The lattice energy rises with larger ion charges and smaller ions, so MgO (both $2+/2-$) melts far higher than NaCl (both $1+/1-$).

    Русский

    Ионное твердое вещество представляет собой повторяющуюся 3D решетку из чередующихся катионов и анионов, удерживаемую сильным электростатическим притяжением. Это объясняет их высокие температуры плавления, хрупкость и то, что они проводят ток только в расплавленном или растворенном виде (ионы освобождаются для движения). Решеточная энергия возрастает при увеличении зарядов ионов и уменьшении их размеров, поэтому MgO (оба $2+/2-$) плавится значительно выше, чем NaCl (оба $1+/1-$).

    Ионы упаковываются в гигантскую решетку из чередующихся положительных и отрицательных ионов
    Ионы упаковываются в гигантскую решетку из чередующихся положительных и отрицательных ионов
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    lattice/ˈlætɪs/ решетка
    delocalized/dɪˈlɒkəlaɪzd/ делокализованы
    2.4

    Structure of Metals and Alloys · ⁨Структура металлов и сплавов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.4.A: Represent a metallic solid and/or alloy using a model to show essential characteristics of the structure and interactions present in the substance.

    • 2.4.A.1 Metallic bonding can be represented as an array of positive metal ions surrounded by delocalized valence electrons (i.e., a "sea of electrons").
    • 2.4.A.2 Interstitial alloys form between atoms of significantly different radii, where the smaller atoms fill the interstitial spaces between the larger atoms (e.g., with steel in which carbon occupies the interstices in iron).
    • 2.4.A.3 Substitutional alloys form between atoms of comparable radius, where one atom substitutes for the other in the lattice. (e.g., in certain brass alloys, other elements, usually zinc, substitute for copper.)
    Русский

    Цель обучения 2.4.A: Изобразить металлическое твердое тело и/или сплав с помощью модели, демонстрирующей основные характеристики структуры и взаимодействия, присущие данному веществу.

    • 2.4.A.1 Металлическую связь можно представить как массив положительных ионов металла, окруженных делокализованными валентными электронами (т.е. «электронным газом» или «морем электронов»).
    • 2.4.A.2 Междоузельные сплавы образуются между атомами со значительно разными радиусами, когда меньшие атомы заполняют междоузельные пространства между крупными атомами (например, сталь, где углерод занимает междоузельные позиции в железе).
    • 2.4.A.3 Заместительные сплавы образуются между атомами сопоставимых размеров, когда один атом замещает другой в кристаллической решетке (например, в некоторых латунных сплавах другие элементы, обычно цинк, замещают медь).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    In a metal, cations sit in a lattice bathed in delocalized 离域 electrons, which explains conductivity, malleability, and luster. An alloy 合金 mixes metals: a substitutional alloy swaps in similar-sized atoms; an interstitial alloy (like steel) fits small atoms into the gaps, making it harder.

    Русский

    В металле катионы расположены в решетке, погруженной в ** делокализованные** электроны, что объясняет проводимость, пластичность и блеск. Сплав смешивает металлы: заместительный сплав заменяет атомы на атомы похожего размера; междоузельный сплав (например, сталь) вписывает мелкие атомы в промежутки, делая его тверже.

    Атомы разного размера в сплаве препятствуют скольжению слоёв, поэтому он твёрже
    Атомы разного размера в сплаве препятствуют скольжению слоёв, поэтому он твёрже
    Металлическая связь: положительные ионы в море делокализованных электронов
    Металлическая связь: положительные ионы в море делокализованных электронов
    Естественная медь: металлическая связь придает блестящее, пластичное твердое тело с делокализованными электронами
    Естественная медь: металлическая связь придает блестящее, пластичное твердое тело с делокализованными электронами
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Slide layers in a metallic lattice · ⁨Сдвигайте слои в металлической решётке⁩

    A metal is positive ions in a sea of delocalised electrons. The layers can slide without breaking the bond, so metals are malleable and conduct. · ⁨Металл представляет собой положительные ионы в море делокализованных электронов. Слои могут смещаться без разрыва связей, поэтому металлы пластичны и проводят электрический ток.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    chemical bond/ˈkemɪkl bɒnd/ химическая связь
    Ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ Ионная связь
    Covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/ Ковалентная связь
    polar covalent/ˈpəʊlə ˈkəʊvələnt/ полярная ковалентная
    Metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/ Металлическая связь
    potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ потенциальная энергия
    bond length/bɒnd leŋθ/ длина связи
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ энергия связи
    ionic solid/aɪˈɒnɪk ˈsɒlɪd/ ионное твердое тело
    alloy/ˈælɔɪ/ сплавом
    Lewis diagram/ˈluːɪs ˈdaɪəɡræm/ диаграмма Льюиса
    lone pairs/ləʊn peəz/ неподеленные пары
    octet/ɒkˈtet/ октет
    resonance/ˈrezənəns/ резонансом
    Formal charge/ˈfɔːml tʃɑːdʒ/ Формальный заряд
    2.5

    Lewis Diagrams · ⁨Диаграммы Льюиса⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.5.A: Represent a molecule with a Lewis diagram.

    • 2.5.A.1 Lewis diagrams can be constructed according to an established set of principles.
    Русский

    Учебная цель 2.5.A: Изобразить молекулу с помощью диаграммы Льюиса.

    • 2.5.A.1 Диаграммы Льюиса могут быть построены в соответствии с установленным набором принципов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A Lewis diagram 路易斯结构 shows valence electrons as bonding pairs and lone pairs 孤对电子, giving most atoms an octet 八隅体 (8 valence electrons; H wants 2). Steps: count total valence electrons, connect atoms with single bonds, complete octets on outer atoms, then form multiple bonds if the central atom is short.

    Worked example. Draw carbon dioxide, $\text{CO}_2$. Total valence electrons $=4+2(6)=16$. Put C in the centre; single bonds to each O use $4$ electrons and leave the outer O atoms short. Completing octets forces two double bonds, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: each O then has two lone pairs, C has none, and all $16$ electrons are placed with every atom at an octet.

    Русский

    Диаграмма Льюиса показывает валентные электроны как связывающие пары и неделокализованные (одиночные) пары, обеспечивая большинству атомов октет (8 валентных электронов; H хочет 2). Шаги: подсчитайте общее число валентных электронов, соедините атомы одинарными связями, завершите октеты на внешних атомах, затем образуйте множественные связи, если центральному атому не хватает электронов.

    Точки и крестики диаграммы показывают связывающие пары и одиночные пары в молекуле
    Точки и крестики диаграммы показывают связывающие пары и одиночные пары в молекуле

    Разобранный пример. Нарисуйте углекислый газ, $\text{CO}_2$. Общее число валентных электронов $=4+2(6)=16$. Поместите C в центр; одинарные связи к каждому O используют $4$ электронов и оставляют внешние атомы O без достаточного количества. Завершение октетов вынуждает образование двух двойных связей, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: каждый O тогда имеет две одиночные пары, у C их нет, и все $16$ электронов размещены так, что каждый атом находится в октете.

    2.6

    Resonance and Formal Charge · ⁨Резонанс и формальный заряд⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.6.A: Represent a molecule with a Lewis diagram that accounts for resonance between equivalent structures or that uses formal charge to select between nonequivalent structures.

    • 2.6.A.1 In cases where more than one equivalent Lewis structure can be constructed, resonance must be included as a refinement to the Lewis structure. In many such cases, this refinement is needed to provide qualitatively accurate predictions of molecular structure and properties.
    • 2.6.A.2 The octet rule and formal charge can be used as criteria for determining which of several possible valid Lewis diagrams provides the best model for predicting molecular structure and properties.
    • 2.6.A.3 As with any model, there are limitations to the use of the Lewis structure model, particularly in cases with an odd number of valence electrons.
    Русский

    Учебная цель 2.6.A: Изобразить молекулу с помощью диаграммы Льюиса, учитывающей резонанс между эквивалентными структурами или использующей формальный заряд для выбора между неэквивалентными структурами.

    • 2.6.A.1 В случаях, когда можно построить более одной эквивалентной диаграммы Льюиса, резонанс должен быть включен как уточнение диаграммы Льюиса. Во многих таких случаях это уточнение необходимо для получения качественно точных предсказаний структуры и свойств молекул.
    • 2.6.A.2 Правило октета и формальный заряд могут использоваться в качестве критериев для определения того, какая из нескольких возможных корректных диаграмм Льюиса представляет собой лучшую модель для предсказания структуры и свойств молекул.
    • 2.6.A.3 Как и любая модель, модель диаграмм Льюиса имеет ограничения, особенно в случаях с нечетным числом валентных электронов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    When two or more valid Lewis diagrams differ only in electron placement, the true structure is an average – resonance 共振. Formal charge 形式电荷 (valence electrons minus lone-pair electrons minus half the bonding electrons) picks the best structure: the one with formal charges closest to zero, and any negative charge on the most electronegative atom.

    Worked example. Assign formal charges in the nitrate ion, $\text{NO}_3^{-}$ (one double bond, two single bonds). For N (4 bonds, no lone pairs): $5-0-4=+1$. For the double-bonded O (2 lone pairs): $6-4-2=0$. For each single-bonded O (3 lone pairs): $6-6-1=-1$. The total is $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, matching the ion's overall charge – a good check that the structure is drawn correctly. Because the three O atoms are equivalent by resonance, the real ion has three identical bonds.

    Русский

    Когда две или более допустимые диаграммы Льюиса отличаются только расположением электронов, истинная структура является усреднением – резонанс. Формальный заряд (валентные электроны минус электроны одиночных пар минус половина связывающих электронов) выбирает лучшую структуру: ту, где формальные заряды ближе всего к нулю, а любой отрицательный заряд находится на наиболее электроотрицательном атоме.

    Разобранный пример. Расставьте формальные заряды в нитрат-ионе $\text{NO}_3^{-}$ (одинарная двойная связь, две одинарные). Для N (4 связей, нет неподеленных пар): $5-0-4=+1$. Для кислорода с двойной связью (2 неподеленных пар): $6-4-2=0$. Для каждого кислорода с одинарной связью (3 неподеленных пар): $6-6-1=-1$. Сумма составляет $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, что совпадает с общим зарядом иона — это хорошая проверка правильности построения структуры. Поскольку три атома кислорода эквивалентны благодаря резонансу, реальный ион обладает тремя идентичными связями.

    2.7

    VSEPR and Bond Hybridization · ⁨VSEPR и гибридизация связей⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 2.7.A: Based on the relationship between Lewis diagrams, VSEPR theory, bond orders, and bond polarities:

    • i. Explain structural properties of molecules.

    • ii. Explain electron properties of molecules.

    • 2.7.A.1 VSEPR theory uses the Coulombic repulsion between electrons as a basis for predicting the arrangement of electron pairs around a central atom.

    • 2.7.A.2 Both Lewis diagrams and VSEPR theory must be used for predicting electronic and structural properties of many covalently bonded molecules and polyatomic ions, including the following:

      • i. Molecular geometry (linear, trigonal planar, tetrahedral, trigonal pyramidal, bent, trigonal bipyramidal, seesaw, T-shaped, octahedral, square pyramidal, square planar)
      • ii. Bond angles
      • iii. Relative bond energies based on bond order
      • iv. Relative bond lengths (multiple bonds, effects of atomic radius)
      • v. Presence of a dipole moment
      • vi. Hybridization of valence orbitals for atoms within a molecule or polyatomic ion
    • 2.7.A.3 The terms "hybridization" and "hybrid atomic orbital" are used to describe the arrangement of electrons around a central atom. When the central atom is $sp$ hybridized, its ideal bond angles are $180°$; for $sp^2$ hybridized atoms the bond angles are $120°$; and for $sp^3$ hybridized atoms the bond angles are $109.5°$.

      • Exclusion statement: An understanding of the derivation and depiction of hybrid orbitals will not be assessed on the AP Exam. The course includes the distinction between sigma and pi bonding, the use of VSEPR to explain the shapes of molecules, and the $sp$, $sp^2$, and $sp^3$ nomenclature.
      • Exclusion statement: Hybridization involving d orbitals will not be assessed on the AP Exam. When an atom has more than four pairs of electrons surrounding the central atom, students are only responsible for the shape of the resulting molecule.
    • 2.7.A.4 Bond formation is associated with overlap between atomic orbitals. In multiple bonds, such overlap leads to the formation of both sigma and pi bonds. The overlap is stronger in sigma than pi bonds, which is reflected in sigma bonds having greater bond energy than pi bonds. The presence of a pi bond also prevents the rotation of the bond and leads to geometric isomers.

      • Exclusion statement: Molecular orbital theory is recommended as a way to provide deeper insight into bonding. However, the AP Exam will neither explicitly assess molecular orbital diagrams, filling of molecular orbitals, nor the distinction between bonding, nonbonding, and antibonding orbitals.
    Русский

    Учебная цель 2.7.A: На основе взаимосвязи между диаграммами Льюиса, теорией VSEPR, порядками связей и полярностью связей:

    • i. Объяснять структурные свойства молекул.

    • ii. Объяснять электронные свойства молекул.

    • 2.7.A.1 Теория VSEPR использует кулоновское отталкивание между электронами как основу для предсказания расположения электронных пар вокруг центрального атома.

    • 2.7.A.2 Для предсказания электронных и структурных свойств многих ковалентно связанных молекул и многоатомных ионов необходимо использовать как диаграммы Льюиса, так и теорию VSEPR, включая следующие аспекты:

      • i. Молекулярную геометрию (линейную, тригонально-плоскую, тетраэдрическую, тригонально-пирамидальную, угловую, тригонально-бипирамидальную, «весы», Т-образную, октаэдрическую, квадратно-пирамидальную, квадратно-планарную)
      • ii. Углы связи
      • iii. Относительные энергии связей на основе порядка связи
      • iv. Относительные длины связей (кратные связи, влияние атомного радиуса)
      • v. Наличие дипольного момента
      • vi. Гибридизацию валентных орбиталей атомов внутри молекулы или многоатомного иона
    • 2.7.A.3 Термины «гибридизация» и «гибридная атомная орбиталь» используются для описания расположения электронов вокруг центрального атома. Когда центральный атом находится в состоянии $sp$-гибридизации, его идеальные углы связи равны $180°$; для $sp^2$-гибридизированных атомов углы связи составляют $120°$; а для $sp^3$-гибридизированных атомов углы связи равны $109.5°$.

      • Исключение: Понимание вывода и изображения гибридных орбиталей не будет проверяться на экзамене AP. Курс включает различия между сигма- и пи-связями, использование VSEPR для объяснения форм молекул, а также номенклатуру $sp$, $sp^2$ и $sp^3$.
      • Исключение: Гибридизация с участием d-орбиталей не будет проверяться на экзамене AP. Когда вокруг центрального атома находится более четырех пар электронов, студенты отвечают только за форму resulting молекулы.
    • 2.7.A.4 Образование связи связано с перекрыванием атомных орбиталей. В кратных связях такое перекрывание приводит к образованию как сигма-, так и пи-связей. Перекрывание сильнее в сигма-связях, чем в пи-связях, что отражается в большей энергии сигма-связей по сравнению с пи-связями. Наличие пи-связи также предотвращает вращение вокруг связи и приводит к появлению геометрических изомеров.

      • Исключение: Теория молекулярных орбиталей рекомендуется как способ получения более глубокого понимания природы связи. Однако на экзамене AP не будут проверяться ни диаграммы молекулярных орбиталей, ни заполнение молекулярных орбиталей, ни различие между связывающими, несвязывающими и антисвязывающими орбиталями.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    VSEPR: molecular shapes

    VSEPR 价层电子对互斥 theory predicts shape: electron pairs (bonds and lone pairs) around a central atom spread out as far apart as possible. Counting electron domains gives the geometry (linear, trigonal planar, tetrahedral, …); lone pairs push bonds closer, bending the shape. Hybridization 杂化 ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) describes the mixed orbitals matching that geometry. Molecular shape and bond polarity together decide whether the whole molecule is polar.

    Worked example. Predict the shape of ammonia, $\text{NH}_3$. Nitrogen has $3$ bonding pairs and $1$ lone pair – four electron domains, so the electron geometry is tetrahedral and the hybridization is $sp^3$. The lone pair is invisible in the shape but still pushes the bonds together, so the molecular shape is trigonal pyramidal with a bond angle of about $107^{\circ}$ (a little less than the ideal $109.5^{\circ}$). The three N–H dipoles do not cancel, so the molecule is polar.

    Bonds form when atomic orbitals overlap. Every single bond is one sigma bond σ键 – orbitals overlapping head-on along the line joining the two atoms. A multiple bond adds a pi bond π键, made by $p$ orbitals overlapping sideways above and below that line: a double bond is one sigma + one pi, a triple bond one sigma + two pi. Head-on overlap is more effective, so a sigma bond is stronger (higher bond energy) than a pi bond – which is why a double bond is stronger than a single bond but not twice as strong. A pi bond also locks the two atoms so they cannot rotate about the bond; a C=C double bond therefore has fixed cis and trans forms – geometric isomers 几何异构体 that a freely-rotating single bond could never show.

    Worked example. Count the bonds in ethene, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. The four C–H bonds are single bonds (one sigma each); the C=C is one sigma plus one pi. So ethene has 5 sigma and 1 pi bond, and that single pi bond is exactly what stops the two $\text{CH}_2$ ends from twisting relative to each other.

    Русский
    VSEPR: молекулярные формы

    Теория VSEPR предсказывает форму: электронные пары (связи и неподелённые пары) вокруг центрального атома размещаются максимально далеко друг от друга. Подсчёт электронных доменов даёт геометрию (линейная, тригональная плоская, тетраэдрическая, …); неподелённые пары выталкивают связи ближе, искажая форму. Гибридизация ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) описывает смешанные орбитали, соответствующие этой геометрии. Форма молекулы и полярность связей вместе определяют, является ли вся молекула полярной.

    Гибридизация и форма: sp3 тетраэдрическая, sp2 плоская, sp линейная
    Гибридизация и форма: sp3 тетраэдрическая, sp2 плоская, sp линейная
    Типичные формы VSEPR и углы между связями
    Типичные формы VSEPR и углы между связями

    Разобранный пример. Предскажите форму аммиака $\text{NH}_3$. Азот имеет $3$ связывающие пары и $1$ неподеленную пару — четыре электронные области, поэтому электронная геометрия тетраэдрическая, а гибридизация составляет $sp^3$. Неподеленная пара невидима в форме молекулы, но все же отталкивает связи, поэтому молекулярная форма представляет собой тригональную пирамиду с валентным углом около $107^{\circ}$ (немного меньше идеального значения $109.5^{\circ}$). Три диполя N–H не компенсируют друг друга, поэтому молекула полярна.

    Химические связи образуются за счет перекрывания атомных орбиталей. Каждая одинарная связь — это одна сигма-связь σ – перекрывание орбиталей торцом вдоль линии, соединяющей два атома. К кратной связи добавляется пи-связь π, образованная $p$ орбиталями, которые боково перекрываются над и под этой линией: двойная связь состоит из одной сигма- и одной пи-связи, тройная — из одной сигма- и двух пи-связей. Торцевое перекрывание эффективнее, поэтому сигма-связь прочнее (обладает большей энергией связи), чем пи-связь; именно поэтому двойная связь прочнее одинарной, но не вдвое. Пи-связь также фиксирует положение двух атомов, не позволяя им вращаться вокруг связи; поэтому двойная связь C=C имеет фиксированные цис- и транс- формы — геометрические изомеры, которые свободновращающаяся одинарная связь проявить не может.

    Разобранное решение. Посчитайте связи в этене, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. Четыре связи C–H являются одинарными (по одной σ-связи каждая); связь C=C состоит из одной σ- и одной π-связи. Таким образом, в этене 5 σ- и 1 π-связь, и эта единственная π-связь как раз и не позволяет двум $\text{CH}_2$ группам крутиться относительно друг друга.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Predict molecular shape with VSEPR · ⁨Предскажите форму молекулы с помощью ВЭПР⁩

    VSEPR: electron pairs repel and spread as far apart as possible, setting the molecule's shape. Add bonding and lone pairs and watch the geometry change. · ⁨ВЭПР: электронные пары отталкиваются и максимально удаляются друг от друга, определяя форму молекулы. Добавляйте связывающие и неподелённые пары и наблюдайте изменение геометрии.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    VSEPR/ˈvespə/ VSEPR (теория отталкивания пар валентных электронов)
    Hybridization/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ Гибридизация
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ-связь
    pi bond/paɪ bɒnd/ пи-связь
    geometric isomers/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈaɪsəməz/ геометрические изомеры
    2.7

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Decide the bond type from the atoms: ionic (metal + non-metal, electron transfer), covalent (non-metals, sharing), metallic (sea of delocalised electrons).
    • An ionic solid conducts only when molten or dissolved (ions free to move), never as a solid.
    • Draw Lewis structures to satisfy the octet (H wants 2), then use VSEPR — electron pairs spread as far apart as possible — to predict the shape.
    • Lone pairs take up space and push bonds closer, bending the shape (water is bent, ammonia pyramidal).
    • A molecule can have polar bonds yet be non-polar overall if its symmetry makes the dipoles cancel ($\text{CO}_2$).
    • A single bond is 1 sigma bond; a double bond is 1 sigma + 1 pi, a triple bond 1 sigma + 2 pi. Sigma is stronger than pi, and a pi bond blocks rotation, giving cis/trans geometric isomers.
    Русский
    • Определите тип связи по атомам: ионная (металл + неметалл, передача электрона), ковалентная (неметаллы, разделение), металлическая (морь делокализованных электронов).
    • Ионное твердое тело проводит ток только когда оно расплавлено или растворено (ионы свободно движутся), никогда — в твердом состоянии.
    • Нарисуйте структуры Льюиса для удовлетворения октета (H требует 2), затем используйте VSEPR — электронные пары рассредоточены максимально далеко друг от друга — чтобы предсказать форму.
    • Неподелённые пары занимают пространство и выталкивают связи ближе, искривляя форму (вода — угловая, аммиак — пирамидальная).
    • Молекула может иметь полярные связи, но быть неполярной в целом, если её симметрия приводит к взаимной компенсации диполей ($\text{CO}_2$).
    • Одинарная связь — 1 σ-связь; двойная связь — 1 σ + 1 π, тройная связь — 1 σ + 2 π. σ-связь прочнее π-связи, а π-связь блокирует вращение, давая цис/транс геометрические изомеры.
  • 3

    Properties of Substances and Mixtures · ⁨Свойства веществ и смесей⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    3.1

    Intermolecular and Interparticle Forces · ⁨Межмолекулярные и межчастичные силы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.1.A: Explain the relationship between the chemical structures of molecules and the relative strength of their intermolecular forces when: i. The molecules are of the same chemical species. ii. The molecules are of two different chemical species.

    • 3.1.A.1 London dispersion forces are a result of the Coulombic interactions between temporary, fluctuating dipoles. London dispersion forces are often the strongest net intermolecular force between large molecules.
      • i. Dispersion forces increase with increasing contact area between molecules and with increasing polarizability of the molecules.
      • ii. The polarizability of a molecule increases with an increasing number of electrons in the molecule and the size of the electron cloud. It is enhanced by the presence of pi bonding.
      • iii. The term "London dispersion forces" should not be used synonymously with the term "van der Waals forces."
    • 3.1.A.2 The dipole moment of a polar molecule leads to additional interactions with other chemical species.
      • i. Dipole-induced dipole interactions are present between a polar and nonpolar molecule. These forces are always attractive. The strength of these forces increases with the magnitude of the dipole of the polar molecule and with the polarizability of the nonpolar molecule.
      • ii. Dipole-dipole interactions are present between polar molecules. The interaction strength depends on the magnitudes of the dipoles and their relative orientation. Interactions between polar molecules are typically greater than those between nonpolar molecules of comparable size because these interactions act in addition to London dispersion forces.
      • iii. Ion-dipole forces of attraction are present between ions and polar molecules. These tend to be stronger than dipole-dipole forces.
    • 3.1.A.3 The relative strength and orientation dependence of dipole-dipole and ion-dipole forces can be understood qualitatively by considering the sign of the partial charges responsible for the molecular dipole moment, and how these partial charges interact with an ion or with an adjacent dipole.
    • 3.1.A.4 Hydrogen bonding is a strong type of intermolecular interaction that exists when hydrogen atoms covalently bonded to the highly electronegative atoms (N, O, and F) are attracted to the negative end of a dipole formed by the electronegative atom (N, O, and F) in a different molecule, or a different part of the same molecule.
    • 3.1.A.5 In large biomolecules, noncovalent interactions may occur between different molecules or between different regions of the same large biomolecule.
    Русский

    Учебная цель 3.1.A: Объяснять взаимосвязь между химическими структурами молекул и относительной силой их межмолекулярных взаимодействий, когда: i. Молекулы принадлежат одному и тому же химическому виду. ii. Молекулы принадлежат двум разным химическим видам.

    • 3.1.A.1 Силы Лондона являются результатом кулоновских взаимодействий между временными, флуктуирующими диполями. Силы Лондона часто являются наиболее сильной суммарной межмолекулярной силой между крупными молекулами.
      • i. Силы дисперсии увеличиваются с ростом площади контакта между молекулами и с повышением поляризуемости молекул.
      • ii. Поляризуемость молекулы увеличивается с ростом числа электронов в молекуле и размера электронного облака. Она усиливается наличием пи-связей.
      • iii. Термин «силы Лондона» не следует использовать как синоним термина «силы Ван дер Ваальса».
    • 3.1.A.2 Дипольный момент полярной молекулы приводит к дополнительным взаимодействиям с другими химическими видами.
      • i. Взаимодействия диполь-индуцированный диполь присутствуют между полярной и неполярной молекулой. Эти силы всегда являются притягивающими. Сила этих взаимодействий увеличивается с ростом величины диполя полярной молекулы и поляризуемости неполярной молекулы.
      • ii. Взаимодействия диполь-диполь присутствуют между полярными молекулами. Сила взаимодействия зависит от величин диполей и их относительной ориентации. Взаимодействия между полярными молекулами обычно больше, чем между неполярными молекулами сопоставимого размера, поскольку эти взаимодействия действуют дополнительно к силам Лондона.
      • iii. Ион-дипольные силы притяжения присутствуют между ионами и полярными молекулами. Они, как правило, сильнее, чем диполь-дипольные силы.
    • 3.1.A.3 Относительную силу и зависимость от ориентации диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий можно понять качественно, рассматривая знак частичных зарядов, ответственных за молекулярный дипольный момент, а также то, как эти частичные заряды взаимодействуют с ионом или с соседним диполем.
    • 3.1.A.4 Водородная связь — это сильный тип межмолекулярного взаимодействия, который возникает, когда атомы водорода, ковалентно связанные с сильно электроотрицательными атомами (N, O и F), притягиваются к отрицательному концу диполя, образованного электроотрицательным атомом (N, O и F) в другой молекуле или в другом участке той же молекулы.
    • 3.1.A.5 В крупных биологических макромолекулах нековалентные взаимодействия могут возникать между различными молекулами или между различными участками одной и той же крупной биологической макромолекулы.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Intermolecular forces 分子间作用力 (IMFs) are attractions between molecules – much weaker than bonds, but they set melting/boiling points. From weakest to strongest:

    • London dispersion forces 伦敦色散力: present in all molecules; they arise from Coulombic attraction between temporary, fluctuating dipoles, and are stronger for larger, more polarizable electron clouds - often the strongest net force between large molecules.
    • Dipole–dipole 偶极-偶极: between polar molecules. Their strength depends on the size of the dipoles and their relative orientation - a $\delta+$ end lining up with a neighbour's $\delta-$ end attracts, so these act in addition to dispersion and make polar molecules stickier than nonpolar ones of similar size.
    • Hydrogen bonding 氢键: a strong dipole force when H is bonded to N, O, or F.
    • Ion–dipole 离子-偶极: between an ion and a polar molecule (the ion pulls on the oppositely-charged end of the dipole). These are the strongest of the four here (stronger even than hydrogen bonds), and are exactly what lets water dissolve an ionic solid - each $\text{Na}^+$ is surrounded by the $\delta-$ oxygen ends of water molecules.

    The whole ladder is understood qualitatively by looking at the sign of the partial charges: a larger or better-aligned partial charge, or a full ionic charge, gives a stronger attraction. Stronger IMFs mean higher boiling points and lower vapor pressure. This is why water ($18\ \text{g/mol}$, hydrogen-bonded) boils at $100\,{}^{\circ}\text{C}$ while methane ($16\ \text{g/mol}$, dispersion only) boils at $-162\,{}^{\circ}\text{C}$.

    Русский

    Межмолекулярные силы (ММС) — это притяжения между молекулами — гораздо слабее химических связей, но они определяют температуры плавления и кипения. От самых слабых к самым сильным:

    Силы Лондона: мгновенный диполь индуцирует диполь у соседней молекулы
    Лондонские дисперсионные силы: мгновенный диполь индуцирует диполь у соседней молекулы
    Водородная связь: атом H на N/O/F притягивается к неподелённой паре электронов другой молекулы
    Водородная связь: H на N/O/F притягивается к неподелённой паре другой молекулы
    • Лондонские дисперсионные силы: присутствуют во всех молекулах; они возникают благодаря кулоновскому притяжению между временными, флуктуирующими диполями и сильнее для крупных, более поляризуемых электронных облаков — часто являются самой сильной суммарной силой между крупными молекулами.
    • Диполь-дипольные взаимодействия: между полярными молекулами. Их сила зависит от величины диполей и их относительной ориентации — положительный $\delta+$ конец, выровненный с отрицательным $\delta-$ концом соседа, притягивается, поэтому эти взаимодействия действуют добавочно к дисперсионным и делают полярные молекулы более «липкими», чем неполярные молекулы аналогичного размера.
    • Водородная связь: сильное дипольное взаимодействие, когда H связан с N, O или F.
    • Ион-дипольные взаимодействия: между ионом и полярной молекулой (ион притягивает противоположно заряженный конец диполя). Это самые сильные из четырёх перечисленных (сильнее даже водородных связей), и именно они позволяют воде растворять ионные твердые тела — каждый $\text{Na}^+$ окружён отрицательными $\delta-$ концами молекул воды.

    Всю лестницу можно понять качественно, обратив внимание на знак частичных зарядов: больший или лучше выровненный частичный заряд, либо полный ионный заряд, обеспечивают более сильное притяжение. Более сильные межмолекулярные взаимодействия (ММВ) означают более высокую температуру кипения и более низкое давление насыщенного пара. Именно поэтому вода ($18\ \text{g/mol}$, водородные связи) кипит при $100\,{}^{\circ}\text{C}$, в то время как метан ($16\ \text{g/mol}$, только дисперсионные силы) кипит при $-162\,{}^{\circ}\text{C}$.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ Межмолекулярные силы
    London dispersion forces/ˈlʌndn dɪˈspɜːʃn ˈfɔːsɪz/ силы Лондона (дисперсионные силы)
    Dipole–dipole/ˈdaɪpəʊl ˈdaɪpəʊl/ Диполь–дипольное взаимодействие
    Ion–dipole/ˈaɪɒn ˈdaɪpəʊl/ Ион–дипольное взаимодействие
    Hydrogen bonding/ˈhaɪdrədʒn ˈbɒndɪŋ/ Водородная связь
    malleable/ˈmæləbl/ ковкий
    ductile/ˈdʌktaɪl/ пластичным (ductile)
    free valence electrons/friː ˈveɪləns ɪˈlektrɒnz/ свободные валентные электроны
    crystalline/ˈkrɪstəlaɪn/ кристаллический
    amorphous/əˈmɔːfəs/ аморфный
    Kinetic molecular theory/kɪˈnetɪk məˈlekjʊlə ˈθɪəri/ Кинетическая молекулярная теория
    3.2

    Properties of Solids · ⁨Свойства твердых тел⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.2.A: Explain the relationship among the macroscopic properties of a substance, the particulate-level structure of the substance, and the interactions between these particles.

    • 3.2.A.1 Many properties of liquids and solids are determined by the strengths and types of intermolecular forces present. Because intermolecular interactions are overcome completely when a substance vaporizes, the vapor pressure and boiling point are directly related to the strength of those interactions. Melting points also tend to correlate with interaction strength, but because the interactions are only rearranged, in melting, the relations can be more subtle.
    • 3.2.A.2 Particulate-level representations, showing multiple interacting chemical species, are a useful means to communicate or understand how intermolecular interactions help to establish macroscopic properties.
    • 3.2.A.3 Due to strong interactions between ions, ionic solids tend to have low vapor pressures, high melting points, and high boiling points. They tend to be brittle due to the repulsion of like charges caused when one layer slides across another layer. They conduct electricity only when the ions are mobile, as when the ionic solid is melted (i.e., in a molten state) or dissolved in water or another solvent.
    • 3.2.A.4 In covalent network solids, the atoms are covalently bonded together into a three-dimensional network (e.g., diamond) or layers of two-dimensional networks (e.g., graphite). These are only formed from nonmetals and metalloids: elemental (e.g., diamond, graphite) or binary compounds (e.g., silicon dioxide and silicon carbide). Due to the strong covalent interactions, covalent solids have high melting points. Three-dimensional network solids are also rigid and hard, because the covalent bond angles are fixed. However, graphite is soft because adjacent layers can slide past each other relatively easily.
    • 3.2.A.5 Molecular solids are composed of distinct, individual units of covalently-bonded molecules attracted to each other through relatively weak intermolecular forces. Molecular solids generally have a low melting point because of the relatively weak intermolecular forces present between the molecules. They do not conduct electricity because their valence electrons are tightly held within the covalent bonds and the lone pairs of each constituent molecule. Molecular solids are sometimes composed of very large molecules or polymers.
    • 3.2.A.6 Metallic solids are good conductors of electricity and heat, due to the presence of free valence electrons. They also tend to be malleable and ductile, due to the ease with which the metal cores can rearrange their structure. In an interstitial alloy, interstitial atoms tend to make the lattice more rigid, decreasing malleability and ductility. Alloys typically retain a sea of mobile electrons and so remain conducting.
    • 3.2.A.7 In large biomolecules or polymers, noncovalent interactions may occur between different molecules or between different regions of the same large biomolecule. The functionality and properties of such molecules depend strongly on the shape of the molecule, which is largely dictated by noncovalent interactions.
    Русский

    Цель обучения 3.2.A: Объяснить связь между макроскопическими свойствами вещества, его структурным строением на уровне частиц и взаимодействиями между этими частицами.

    • 3.2.A.1 Многие свойства жидкостей и твердых тел определяются силой и типами присутствующих межмолекулярных сил. Поскольку при испарении вещества межмолекулярные взаимодействия полностью преодолеваются, давление пара и температура кипения напрямую зависят от силы этих взаимодействий. Температуры плавления также, как правило, коррелируют с силой взаимодействий, но поскольку при плавлении взаимодействия лишь перегруппировываются, эти соотношения могут быть более тонкими.
    • 3.2.A.2 Изображения на уровне частиц, показывающие несколько взаимодействующих химических видов, являются полезным средством для объяснения или понимания того, как межмолекулярные взаимодействия помогают формировать макроскопические свойства.
    • 3.2.A.3 Из-за сильных взаимодействий между ионами ионные твердые тела, как правило, имеют низкое давление пара, высокие температуры плавления и кипения. Они хрупки из-за отталкивания одноименных зарядов, возникающего при скольжении одного слоя по другому. Они проводят электрический ток только тогда, когда ионы подвижны, например, когда ионное твердое тело расплавлено (т. е. находится в расплавленном состоянии) или растворено в воде или другом растворителе.
    • 3.2.A.4 В ковалентных сетчатых твердых телах атомы соединены ковалентными связями в трехмерную сеть (например, алмаз) или слои двумерных сетей (например, графит). Они образуются только из неметаллов и металлоидов: элементов (например, алмаз, графит) или бинарных соединений (например, диоксид кремния и карбид кремния). Благодаря сильным ковалентным взаимодействиям ковалентные твердые тела имеют высокие температуры плавления. Трехмерные сетчатые твердые тела также жесткие и твердые, поскольку углы ковалентных связей фиксированы. Однако графит мягкий, так как соседние слои могут легко скользить друг относительно друга.
    • 3.2.A.5 Молекулярные твердые вещества состоят из отдельных, изолированных единиц ковалентно связанных молекул, притягивающихся друг к другу посредством относительно слабых межмолекулярных взаимодействий. Молекулярные твердые вещества обычно имеют низкую температуру плавления из-за наличия относительно слабых межмолекулярных сил между молекулами. Они не проводят электрический ток, поскольку валентные электроны прочно удерживаются внутри ковалентных связей и неподеленных электронных пар каждой составляющей молекулы. Молекулярные твердые вещества иногда могут состоять из очень крупных молекул или полимеров.
    • 3.2.A.6 Металлические твердые вещества являются хорошими проводниками электричества и тепла благодаря наличию свободных валентных электронов. Они также склонны быть пластичными и ковкими, что обусловлено легкостью, с которой атомные ядра металла могут перестраивать свою структуру. В междоузельном сплаве междоузельные атомы, как правило, делают кристаллическую решетку более жесткой, снижая пластичность и ковкость. Сплавы обычно сохраняют «море» подвижных электронов и поэтому остаются проводящими.
    • 3.2.A.7 В крупных биомолекулах или полимерах могут возникать нековалентные взаимодействия между различными молекулами или между различными участками одной и той же крупной биомолекулы. Функциональность и свойства таких молекул сильно зависят от их формы, которая во многом определяется нековалентными взаимодействиями.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A solid's properties reflect the particles and forces holding it: ionic, covalent-network (a 3D network like diamond, very hard and high-melting; graphite is a layered exception — high-melting but soft, because its 2D layers slide over one another), metallic, and molecular solids (held by weak IMFs, soft, low-melting). Matching a solid's properties to its structure is a common exam task.

    Metallic solids conduct electricity and heat and are malleable 可锻的 and ductile 可延展的, all because their free valence electrons 自由价电子 move easily and let the metal ions slide past one another without breaking the bonding. Solids are also either crystalline 晶体 (particles in a regular, repeating 3-D arrangement) or amorphous 非晶体 (no long-range order, like glass).

    Русский

    Свойства твердых тел отражают частицы и силы, удерживающие их вместе: ионные, ковалентно-сетчатые (3D-сеть, как алмаз; очень твердые с высокой температурой плавления; графит — слоистое исключение — высокая температура плавления, но мягкий, поскольку его 2D-слои скользят друг относительно друга), металлические и молекулярные твердые тела (удерживаются слабыми межмолекулярными силами, мягкие, низкая температура плавления). Сопоставление свойств твердого тела с его структурой — типичное задание на экзамене.

    Металлические твердые тела проводят электрический ток и тепло, они ковкие и пластичны — всё это благодаря тому, что их свободные валентные электроны легко перемещаются и позволяют ионам металла скользить друг относительно друга без разрушения связей. Твердые вещества также бывают кристаллическими (частицы расположены в регулярной, повторяющейся 3-мерной структуре) или аморфными (нет дальнего порядка, как у стекла).

    Четыре типа твердых структур: гигантские ионные, простые молекулярные, гигантские ковалентные и металлические
    Четыре типа твердых структур: гигантские ионные, простые молекулярные, гигантские ковалентные и металлические
    3.3

    Solids, Liquids, and Gases · ⁨Твердые вещества, жидкости и газы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.3.A: Represent the differences between solid, liquid, and gas phases using a particulate-level model.

    • 3.3.A.1 Solids can be crystalline, where the particles are arranged in a regular three-dimensional structure, or they can be amorphous, where the particles do not have a regular, orderly arrangement. In both cases, the motion of the individual particles is limited, and the particles do not undergo overall translation with respect to each other. The structure of the solid is influenced by interparticle interactions and the ability of the particles to pack together.
    • 3.3.A.2 The constituent particles in liquids are in close contact with each other, and they are continually moving and colliding. The arrangement and movement of particles are influenced by the nature and strength of the forces (e.g., polarity, hydrogen bonding, and temperature) between the particles.
    • 3.3.A.3 The solid and liquid phases for a particular substance typically have similar molar volume because, in both phases, the constituent particles are in close contact at all times.
    • 3.3.A.4 In the gas phase, the particles are in constant motion. Their frequencies of collision and the average spacing between them are dependent on temperature, pressure, and volume. Because of this constant motion, and minimal effects of forces between particles, a gas has neither a definite volume nor a definite shape.
      • Exclusion Statement: Understanding/interpreting phase diagrams will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 3.3.A: Изобразить различия между твердым, жидким и газообразным фазами, используя модель на уровне частиц.

    • 3.3.A.1 Твердые вещества могут быть кристаллическими, где частицы расположены в регулярной трехмерной структуре, или аморфными, где частицы не имеют упорядоченного расположения. В обоих случаях движение отдельных частиц ограничено, и частицы не совершают общего перемещения (трансляции) относительно друг друга. Структура твердого тела зависит от межчастичных взаимодействий и способности частиц упаковываться вместе.
    • 3.3.A.2 Составляющие частицы в жидкостях находятся в непосредственном контакте друг с другом и постоянно движутся и сталкиваются. Расположение и движение частиц зависят от природы и силы сил (например, полярности, водородных связей и температуры) между частицами.
    • 3.3.A.3 Для данного вещества твердая и жидкая фазы обычно имеют схожий молярный объем, потому что в обеих фазах составляющие частицы все время находятся в непосредственном контакте.
    • 3.3.A.4 В газообразной фазе частицы находятся в постоянном движении. Частота их столкновений и среднее расстояние между ними зависят от температуры, давления и объема. Благодаря этому постоянному движению и минимальному влиянию сил взаимодействия между частицами газ не имеет ни определенного объема, ни определенной формы.
      • Исключительное заявление: Понимание/интерпретация диаграмм фаз не будет оцениваться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The three states differ in how tightly particles are held. Rising temperature raises average kinetic energy; when it overcomes the attractions, the substance melts or boils. Gases are mostly empty space, so they are compressible and fill their container.

    Русский

    Три состояния различаются тем, насколько плотно удерживаются частицы. Повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию; когда она преодолевает притяжение, вещество плавится или кипит. Газы состоят преимущественно из пустого пространства, поэтому они сжимаемы и заполняют весь предоставленный объем.

    Частицы упакованы в твердом теле, близко, но подвижны в жидкости, и далеко друг от друга в газе
    Частицы упакованы в твердом теле, близко, но подвижны в жидкости, и далеко друг от друга в газе
    Поднимающийся пар от кипящей воды: газы расширяются, занимая пространство, и подчиняются закону идеального газа при высоких T и низком P
    Поднимающийся пар от кипящей воды: газы расширяются, занимая пространство, и подчиняются закону идеального газа при высоких T и низком P
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Melt and boil by adding heat · ⁨Плавление и кипение при нагревании⁩

    Temperature sets the average kinetic energy of the particles. Warm a solid and the particles break their fixed pattern (melt), then spread right out (boil). · ⁨Температура определяет среднюю кинетическую энергию частиц. Нагревание твёрдого тела заставляет частицы разрушать упорядоченную структуру (плавление), затем рассеиваться во все стороны (кипение).⁩

    3.4

    The Ideal Gas Law · ⁨Закон идеального газа⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.4.A: Explain the relationship between the macroscopic properties of a sample of gas or mixture of gases using the ideal gas law.

    • 3.4.A.1 The macroscopic properties of ideal gases are related through the ideal gas law:
      • EQN: $PV = nRT$.
    • 3.4.A.2 In a sample containing a mixture of ideal gases, the pressure exerted by each component (the partial pressure) is independent of the other components. Therefore, the partial pressure of a gas within the mixture is proportional to its mole fraction ($X$), and the total pressure of the sample is the sum of the partial pressures.
      • EQN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, where $X_{A} =$ moles A/total moles;
      • EQN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
    • 3.4.A.3 Graphical representations of the relationships between $P$, $V$, $T$, and $n$ are useful to describe gas behavior.
    Русский

    Цель обучения 3.4.A: Объяснить связь между макроскопическими свойствами образца газа или смеси газов, используя закон идеального газа.

    • 3.4.A.1 Макроскопические свойства идеальных газов связаны между собой уравнением состояния идеального газа:
      • УР: $PV = nRT$.
    • 3.4.A.2 В образце, содержащем смесь идеальных газов, давление, оказываемое каждым компонентом (парциальное давление), независимо от других компонентов. Следовательно, парциальное давление газа в смеси пропорционально его мольной доле ($X$), а общее давление образца равно сумме парциальных давлений.
      • УР: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, где $X_{A} =$ молей A / всего молей;
      • УР: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
    • 3.4.A.3 Графические представления зависимостей между $P$, $V$, $T$ и $n$ полезны для описания поведения газов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An ideal gas obeys

    $$PV=nRT,$$
    linking pressure, volume, moles, and absolute temperature. Use it to find any one quantity from the others, or (holding some constant) to predict how a gas responds to a change.

    Worked example. How many moles of gas fill a $2.0\ \text{L}$ container at $300\ \text{K}$ and $1.5\ \text{atm}$? Using $R=0.0821\ \text{L atm/(mol K)}$,

    $$n=\frac{PV}{RT}=\frac{1.5\times2.0}{0.0821\times300}=0.12\ \text{mol}.$$
    Always use kelvin for $T$ and match the units of $R$ to your pressure and volume.

    Русский

    Идеальный газ подчиняется

    $$PV=nRT,$$
    уравнению, связывающему давление, объем, количество вещества и абсолютную температуру. Используйте его для нахождения любого одного количества по остальным или (при сохранении некоторых параметров постоянными) для прогнозирования реакции газа на изменение.

    Идеальный газ — модель точечных частиц без взаимодействий между ними
    Идеальный газ — модель точечных частиц без взаимодействий между ними

    Разбор примера. Сколько моль газа занимает $2.0\ \text{L}$ при $300\ \text{K}$ и $1.5\ \text{atm}$? Используя $R=0.0821\ \text{L atm/(mol K)}$,

    $$n=\frac{PV}{RT}=\frac{1.5\times2.0}{0.0821\times300}=0.12\ \text{mol}.$$
    Всегда используйте кельвины для $T$ и согласуйте единицы измерения $R$ с вашими единицами давления и объема.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Compress a gas and watch the pressure · ⁨Сжмите газ и наблюдайте рост давления⁩

    $PV = nRT$. At fixed temperature, squeezing the gas into a smaller volume packs the molecules closer, so they hit the walls more often and the pressure rises. · ⁨$PV = nRT$. При постоянной температуре сжатие газа до меньшего объёма уплотняет молекулы, из-за чего они чаще ударяются о стенки, и давление возрастает.⁩

    3.5

    Kinetic Molecular Theory · ⁨Кинетическая молекулярная теория⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.5.A: Explain the relationship between the motion of particles and the macroscopic properties of gases with: i. The kinetic molecular theory (KMT). ii. A particulate model. iii. A graphical representation.

    • 3.5.A.1 The kinetic molecular theory (KMT) relates the macroscopic properties of gases to motions of the particles in the gas. The Maxwell-Boltzmann distribution describes the distribution of the kinetic energies of particles at a given temperature.
    • 3.5.A.2 All the particles in a sample of matter are in continuous, random motion. The average kinetic energy of a particle is related to its average velocity by the equation:
      • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
    • 3.5.A.3 The Kelvin temperature of a sample of matter is proportional to the average kinetic energy of the particles in the sample.
    • 3.5.A.4 The Maxwell-Boltzmann distribution provides a graphical representation of the energies/velocities of particles at a given temperature.
    Русский

    Цель обучения 3.5.A: Объяснить связь между движением частиц и макроскопическими свойствами газов с использованием: i. Кинетической молекулярной теории (КМТ). ii. Модели на уровне частиц. iii. Графического представления.

    • 3.5.A.1 Кинетическая молекулярная теория (КМТ) связывает макроскопические свойства газов с движением частиц в газе. Распределение Максвелла-Больцмана описывает распределение кинетических энергий частиц при заданной температуре.
    • 3.5.A.2 Все частицы в образце материи находятся в непрерывном хаотическом движении. Средняя кинетическая энергия частицы связана с её средней скоростью уравнением:
      • УР: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
    • 3.5.A.3 Температура по шкале Кельвина для образца материи пропорциональна средней кинетической энергии частиц в этом образце.
    • 3.5.A.4 Распределение Максвелла-Больцмана представляет собой графическое отображение энергий/скоростей частиц при данной температуре.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Kinetic theory: gas pressure

    Kinetic molecular theory 分子运动论 explains gas behavior: particles are tiny, in constant random motion, with negligible volume and no attractions, and collisions are elastic. Temperature is proportional to average kinetic energy, so at a given temperature lighter molecules move faster (Graham's law of effusion).

    Русский
    Кинетическая теория: давление газа

    Кинетическая молекулярная теория объясняет поведение газов: частицы малы, находятся в постоянном хаотическом движении, имеют пренебрежимо малый объем и не притягиваются друг к другу, а столкновения являются упругими. Температура пропорциональна средней кинетической энергии, поэтому при заданной температуре более легкие молекулы движутся быстрее (закон Грэма о диффузии/эффузии).

    Распределение Максвелла–Больцмана скоростей молекул смещается вправо при нагревании
    Распределение Максвелла–Больцмана скоростей молекул смещается вправо при нагревании
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Heat a gas and watch the speed spread · ⁨Нагрейте газ и наблюдайте распределение скоростей⁩

    Gas molecules have a range of speeds. Raising the temperature shifts the whole distribution to higher speeds and flattens it, so more molecules move fast. · ⁨Молекулы газа имеют диапазон скоростей. Повышение температуры смещает всё распределение в сторону более высоких скоростей и уплощает его, увеличивая долю быстро движущихся молекул.⁩

    3.6

    Deviation from the Ideal Gas Law · ⁨Отклонения от закона идеального газа⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.6.A: Explain the relationship among non-ideal behaviors of gases, interparticle forces, and/or volumes.

    • 3.6.A.1 The ideal gas law does not explain the actual behavior of real gases. Deviations from the ideal gas law may result from interparticle attractions among gas molecules, particularly at conditions that are close to those resulting in condensation. Deviations may also arise from particle volumes, particularly at extremely high pressures.
    Русский

    Цель обучения 3.6.A: Объяснить связь между неидеальным поведением газов, межчастичными силами и/или объемами.

    • 3.6.A.1 Закон идеального газа не объясняет реальное поведение настоящих газов. Отклонения от закона идеального газа могут быть вызваны притяжением между частицами (молекулами газа), особенно в условиях, близких к тем, которые приводят к конденсации. Отклонения также могут возникать из-за собственных объемов частиц, особенно при экстремально высоких давлениях.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Real gases deviate from ideal behavior at high pressure and low temperature, where molecules are close enough that their real volume and their attractions matter. Attractions lower the pressure below ideal; molecular volume raises it.

    Русский

    Реальные газы отклоняются от идеального поведения при высоком давлении и низкой температуре, когда молекулы сближены настолько, что их реальный объем и взаимодействия становятся значимыми. Взаимодействия снижают давление ниже идеального значения; объем молекул повышает его.

    3.7

    Solutions and Mixtures · ⁨Растворы и смеси⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.7.A: Calculate the number of solute particles, volume, or molarity of solutions.

    • 3.7.A.1 Solutions, also sometimes called homogeneous mixtures, can be solids, liquids, or gases. In a solution, the macroscopic properties do not vary throughout the sample. In a heterogeneous mixture, the macroscopic properties depend on location in the mixture.
    • 3.7.A.2 Solution composition can be expressed in a variety of ways; molarity is the most common method used in the laboratory.
      • EQN: $M = n_{solute}/L_{solution}$
    Русский

    Цель обучения 3.7.A: Вычислять количество растворенных частиц, объем или молярную концентрацию растворов.

    • 3.7.A.1 Растворы, также называемые гомогенными смесями, могут быть твердыми, жидкими или газообразными. В растворе макроскопические свойства не изменяются по всему объему образца. В гетерогенной смеси макроскопические свойства зависят от места в смеси.
    • 3.7.A.2 Состав раствора можно выразить различными способами; молярность является наиболее распространенным методом, используемым в лаборатории.
      • УР: $M = n_{solute}/L_{solution}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A solution 溶液 is a homogeneous mixture of a solute 溶质 dissolved in a solvent 溶剂. Concentration is usually molarity 摩尔浓度:

    $$M=\frac{\text{moles of solute}}{\text{liters of solution}}.$$
    Dilution conserves moles: $M_1V_1=M_2V_2$.

    Worked example. What volume of water must you add to $50\ \text{mL}$ of $6.0\ \text{M}$ HCl to make it $2.0\ \text{M}$? The moles of HCl are unchanged, so $M_1V_1=M_2V_2$ gives the final volume $V_2=\dfrac{M_1V_1}{M_2}=\dfrac{6.0\times50}{2.0}=150\ \text{mL}$. You therefore add $150-50=100\ \text{mL}$ of water.

    Русский

    Раствор — это гомогенная смесь растворяемого вещества, растворенного в растворителе. Концентрация обычно выражается через молярность:

    $$M=\frac{\text{moles of solute}}{\text{liters of solution}}.$$
    Разбавление сохраняет количество моль: $M_1V_1=M_2V_2$.

    Разбор примера. Какой объем воды необходимо добавить к $50\ \text{mL}$ $6.0\ \text{M}$ HCl, чтобы получить концентрацию $2.0\ \text{M}$? Количество моль HCl остается неизменным, поэтому $M_1V_1=M_2V_2$ дает конечный объем $V_2=\dfrac{M_1V_1}{M_2}=\dfrac{6.0\times50}{2.0}=150\ \text{mL}$. Следовательно, вы должны добавить $150-50=100\ \text{mL}$ воды.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    solution/səˈluːʃn/ раствором
    solute/ˈsɒljuːt/ растворённым веществом
    solvent/ˈsɒlvənt/ растворитель
    molarity/məʊˈlærɪti/ молярность
    3.8

    Representations of Solutions · ⁨Представления растворов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.8.A: Using particulate models for mixtures: i. Represent interactions between components. ii. Represent concentrations of components.

    • 3.8.A.1 Particulate representations of solutions communicate the structure and properties of solutions, by illustration of the relative concentrations of the components in the solution and/or drawings that show interactions among the components.
      • Exclusion Statement: Colligative properties will not be assessed on the AP Exam.
      • Exclusion Statement: Calculations of molality, percent by mass, and percent by volume for solutions will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 3.8.A: Использование частицных моделей для смесей: i. Изображение взаимодействий между компонентами. ii. Изображение концентраций компонентов.

    • 3.8.A.1 Частицыные представления растворов иллюстрируют структуру и свойства растворов путем изображения относительных концентраций компонентов в растворе и/или рисунков, показывающих взаимодействия между компонентами.
      • Исключенный материал: Свойства, зависящие от количества растворенного вещества (коллигативные свойства), не будут проверяться на экзамене AP.
      • Исключенный материал: Расчеты моляльности, массовой доли и объемной доли для растворов не будут проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A particulate diagram shows the solute and solvent particles. For an ionic solute, show it fully dissociated into separate ions surrounded by solvent; count particles to reason about concentration and conductivity.

    Русский

    Частичная диаграмма показывает частицы растворенного вещества и растворителя. Для ионного растворителя покажите его полное диссоциирование на отдельные ионы, окруженные растворителем; подсчитайте частицы, чтобы сделать выводы о концентрации и проводимости.

    3.9

    Separation of Solutions and Mixtures · ⁨Разделение растворов и смесей⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.9.A: Explain the results of a separation experiment based on intermolecular interactions.

    • 3.9.A.1 The components of a liquid solution cannot be separated by filtration. They can, however, be separated using processes that take advantage of differences in the intermolecular interactions of the components.
      • i. Chromatography (paper, thin-layer, and column) separates chemical species by taking advantage of the differential strength of intermolecular interactions between and among the components of the solution (the mobile phase) and with the surface components of the stationary phase. The resulting chromatogram can be used to infer the relative polarities of components in a mixture.
      • ii. Distillation separates chemical species by taking advantage of the differential strength of intermolecular interactions between and among the components and the effects these interactions have on the vapor pressures of the components in the mixture.
    Русский

    Цель обучения 3.9.A: Объяснить результаты эксперимента по разделению на основе межмолекулярных взаимодействий.

    • 3.9.A.1 Компоненты жидкого раствора нельзя разделить с помощью фильтрации. Однако их можно разделить, используя процессы, основанные на различиях в силе межмолекулярных взаимодействий компонентов.
      • i. Хроматография (бумажная, тонкослойная и колонная) разделяет химические виды, используя различную силу межмолекулярных взаимодействий между компонентами раствора (подвижной фазой) и поверхностью неподвижной фазы. Полученную хроматограмму можно использовать для вывода о относительных полярностях компонентов смеси.
      • ii. Дистилляция разделяет химические виды, используя различную силу межмолекулярных взаимодействий между компонентами и влияние этих взаимодействий на давления пара компонентов в смеси.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Because a mixture's components keep their properties, physical methods separate them: filtration (by particle size), distillation (by boiling point), and chromatography 色谱法 (by how strongly each component sticks to a stationary phase versus moving with a solvent).

    Русский

    Поскольку компоненты смеси сохраняют свои свойства, для их разделения используются физические методы: фильтрация (по размеру частиц), дистилляция (по температуре кипения) и хроматография (по силе адсорбции каждого компонента на неподвижной фазе по сравнению с движением с растворителем).

    Бумажная хроматография разделяет смесь по мере подъема растворителя по бумаге
    Бумажная хроматография разделяет混合物 по мере подъема растворителя по бумаге
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/ хроматография
    Solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ Растворимость
    Spectroscopy/spekˈtrɒskəpi/ Спектроскопия
    photons/ˈfəʊtɒnz/ фотонов
    Beer–Lambert law/bɪə ˈlæmbət lɔː/ Закон Бугера–Ламберта–Бера
    3.10

    Solubility · ⁨Растворимость⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.10.A: Explain the relationship between the solubility of ionic and molecular compounds in aqueous and nonaqueous solvents, and the intermolecular interactions between particles.

    • 3.10.A.1 Substances with similar intermolecular interactions tend to be miscible or soluble in one another.
    Русский

    Цель обучения 3.10.A: Объяснить связь между растворимостью ионных и молекулярных соединений в водных и неводных растворителях и межмолекулярными взаимодействиями между частицами.

    • 3.10.A.1 Вещества с похожими межмолекулярными взаимодействиями, как правило, смешиваются или растворяются друг в друге.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Solubility 溶解度 is how much solute dissolves. "Like dissolves like": polar (and ionic) solutes dissolve in polar solvents; nonpolar in nonpolar. Dissolving happens when solute–solvent attractions are comparable to the attractions being broken.

    Русский

    Растворимость — это количество растворенного вещества, которое может раствориться. «Подобное растворяется в подобном»: полярные (и ионные) растворители растворяются в полярных растворителях; неполярные — в неполярных. Растворение происходит, когда притяжения между растворенным веществом и растворителем сопоставимы с притяжениями, которые разрываются.

    Кластер крупных стеклянных ярко-синих кристаллов сульфата меди
    Синие кристаллы сульфата меди(II), выращенные из раствора: насыщенный раствор, оставленный испаряться, осаждает растворенное твердое вещество обратно в виде правильных кристаллов
    3.11

    Spectroscopy and the Electromagnetic Spectrum · ⁨Спектроскопия и электромагнитный спектр⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.11.A: Explain the relationship between a region of the electromagnetic spectrum and the types of molecular or electronic transitions associated with that region.

    • 3.11.A.1 Differences in absorption or emission of photons in different spectral regions are related to the different types of molecular motion or electronic transition:
      • i. Microwave radiation is associated with transitions in molecular rotational levels.
      • ii. Infrared radiation is associated with transitions in molecular vibrational levels.
      • iii. Ultraviolet/visible radiation is associated with transitions in electronic energy levels.
    Русский

    Цель обучения 3.11.A: Объяснить связь между участком электромагнитного спектра и типами молекулярных или электронных переходов, связанных с этим участком.

    • 3.11.A.1 Различия в поглощении или излучении фотонов в различных спектральных областях связаны с различными типами молекулярного движения или электронными переходами:
      • i. Микроволновое излучение связано с переходами на уровнях молекулярной ротации.
      • ii. Инфракрасное излучение связано с переходами на уровнях молекулярной вибрации.
      • iii. Ультрафиолетовое/видимое излучение связано с переходами на энергетических уровнях электронов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Spectroscopy 光谱学 studies how matter absorbs or emits light. Different regions of the electromagnetic spectrum probe different changes: microwaves (rotation), infrared (bond vibrations), ultraviolet–visible (electron transitions). The light absorbed reveals structure.

    Русский

    Спектроскопия изучает поглощение или излучение света материей. Различные области электромагнитного спектра исследуют различные изменения: микроволны (вращение), инфракрасное излучение (колебания связей), ультрафиолетово-видимая область (электронные переходы). Поглощаемый свет раскрывает структуру.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Scan across the electromagnetic spectrum · ⁨Просмотрите электромагнитный спектр⁩

    Light is a wave with a range of wavelengths. Shorter wavelength means higher frequency and more energy per photon, from radio waves up to gamma rays. · ⁨Свет — это волна с диапазоном длины волны. Меньшая длина волны означает более высокую частоту и большую энергию на фотон: от радиоволн до гамма-лучей.⁩

    3.12

    Properties of Photons · ⁨Свойства фотонов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.12.A: Explain the properties of an absorbed or emitted photon in relationship to an electronic transition in an atom or molecule.

    • 3.12.A.1 When a photon is absorbed (or emitted) by an atom or molecule, the energy of the species is increased (or decreased) by an amount equal to the energy of the photon.

    • 3.12.A.2 The wavelength of the electromagnetic wave is related to its frequency and the speed of light by the equation:

      • EQN: $c = \lambda\nu$.

      The energy of a photon is related to the frequency of the electromagnetic wave through Planck's equation:

      • EQN: $E = h\nu$.
    Русский

    Цель обучения 3.12.A: Объяснить свойства поглощенного или испущенного фотона в связи с электронным переходом в атоме или молекуле.

    • 3.12.A.1 Когда фотон поглощается (или испускается) атомом или молекулой, энергия этой системы увеличивается (или уменьшается) на величину, равную энергии фотона.
    • 3.12.A.2 Длина волны электромагнитной волны связана с её частотой и скоростью света уравнением:
      • УР: $c = \lambda\nu$.

    Энергия фотона связана с частотой электромагнитной волны через уравнение Планка:

    • УР: $E = h\nu$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Light is carried by photons 光子, each with energy $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$. Higher frequency (shorter wavelength) means higher energy. A molecule absorbs a photon only when its energy matches an allowed energy gap.

    Русский

    Свет переносится фотонами, каждый из которых имеет энергию $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$. Более высокая частота (короткая длина волны) означает более высокую энергию. Молекула поглощает фотон только тогда, когда его энергия совпадает с разрешенной энергетической щелью.

    3.13

    The Beer-Lambert Law · ⁨Закон Бугера–Ламберта–Бера⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 3.13.A: Explain the amount of light absorbed by a solution of molecules or ions in relationship to the concentration, path length, and molar absorptivity.

    • 3.13.A.1 The Beer-Lambert law relates the absorption of light by a solution to three variables according to the equation:

      • EQN: $A = \varepsilon bc$.

      The molar absorptivity, $\varepsilon$, describes how intensely a chemical species absorbs light of a specific wavelength. The path length, $b$, and concentration, $c$, are proportional to the number of light-absorbing particles in the light path.

    • 3.13.A.2 In most experiments the path length and wavelength of light are held constant. In such cases, the absorbance is proportional only to the concentration of absorbing molecules or ions. The spectrophotometer is typically set to the wavelength of maximum absorbance (optimum wavelength) for the species being analyzed to ensure the maximum sensitivity of measurement.

    Русский

    Цель обучения 3.13.A: Объяснить количество света, поглощаемого раствором молекул или ионов, в зависимости от концентрации, длины оптического пути и молярного коэффициента поглощения.

    • 3.13.A.1 Закон Бугера–Ламберта–Бера связывает поглощение света раствором тремя переменными согласно уравнению:

      • УР: $A = \varepsilon bc$.

      Молярный коэффициент поглощения, $\varepsilon$, описывает, насколько интенсивно химическая species поглощает свет определенной длины волны. Длина оптического пути, $b$, и концентрация, $c$, пропорциональны числу частиц, поглощающих свет, на пути луча.

    • 3.13.A.2 В большинстве экспериментов длина оптического пути и длина волны света остаются постоянными. В таких случаях оптическая плотность пропорциональна только концентрации поглощающих молекул или ионов. Спектрофотометр обычно настраивается на длину волны максимальной оптической плотности (оптимальную длину волны) для анализируемого вещества, чтобы обеспечить максимальную чувствительность измерения.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The Beer–Lambert law 比尔-朗伯定律 relates how much light a solution absorbs to its concentration:

    $$A=\varepsilon\,b\,c,$$
    where $A$ is absorbance, $\varepsilon$ the molar absorptivity, $b$ the path length, and $c$ the concentration. Since $A$ is proportional to $c$, measuring absorbance is a fast way to find an unknown concentration.

    Worked example. A dye has molar absorptivity $\varepsilon=2000\ \text{L/(mol cm)}$; in a $1.0\ \text{cm}$ cell a sample reads absorbance $A=0.40$. Its concentration is $c=\dfrac{A}{\varepsilon b}=\dfrac{0.40}{2000\times1.0}=2.0\times10^{-4}\ \text{M}$. Because $A\propto c$, a solution twice as concentrated would read $A=0.80$ – the basis of a calibration curve.

    Русский

    Закон Бугера–Ламберта–Бера связывает количество поглощенного света с концентрацией раствора:

    $$A=\varepsilon\,b\,c,$$
    где $A$ — оптическая плотность, $\varepsilon$ — молярный коэффициент экстинкции, $b$ — длина оптического пути, а $c$ — концентрация. Поскольку $A$ пропорциональна $c$, измерение оптической плотности является быстрым способом определения неизвестной концентрации.

    Разобранное решение. Краситель имеет молярный коэффициент экстинкции $\varepsilon=2000\ \text{L/(mol cm)}$; в кювете $1.0\ \text{cm}$ образец показывает оптическую плотность $A=0.40$. Его концентрация составляет $c=\dfrac{A}{\varepsilon b}=\dfrac{0.40}{2000\times1.0}=2.0\times10^{-4}\ \text{M}$. Поскольку $A\propto c$, раствор с вдвое большей концентрацией показал бы оптическую плотность $A=0.80$ — это основа для построения калибровочной кривой.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Link absorbance to concentration · ⁨Свяжите оптическую плотность с концентрацией⁩

    The Beer-Lambert law says absorbance $A = \varepsilon b c$: absorbance is proportional to concentration, so a calibration line lets you read an unknown concentration. · ⁨Закон Бера–Ламберта гласит, что оптическая плотность $A = \varepsilon b c$: она пропорциональна концентрации, поэтому калибровочная кривая позволяет определить неизвестную концентрацию.⁩

    3.13

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Intermolecular forces (dispersion < dipole–dipole < hydrogen bonding) set boiling points — they are much weaker than the bonds inside a molecule.
    • Boiling breaks the forces between molecules, not the covalent bonds within them.
    • Use $PV=nRT$ with temperature in kelvin and $R$ matched to your pressure/volume units.
    • For solutions use molarity $M=\text{mol}/\text{L}$; dilution conserves moles, so $M_1V_1=M_2V_2$.
    • "Like dissolves like" — polar/ionic solutes dissolve in polar solvents, non-polar in non-polar.
    Русский
    • Межмолекулярные взаимодействия (дисперсия < диполь-диполь < водородная связь) определяют температуру кипения — они значительно слабее связей внутри самой молекулы.
    • При кипении разрушаются силы между молекулами, а не ковалентные связи внутри них.
    • Используйте $PV=nRT$ с температурой в кельвинах и $R$, согласованную с единицами вашего давления/объема.
    • Для растворов используйте молярность $M=\text{mol}/\text{L}$; при разведении количество вещества сохраняется, поэтому $M_1V_1=M_2V_2$.
    • «Подобное растворяется в подобном» — полярные/ионные растворы растворяются в полярных растворителях, неполярные — в неполярных.
  • 4

    Chemical Reactions · ⁨Химические реакции⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    4.1

    Recognizing a Chemical Reaction · ⁨Распознавание химической реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.1.A: Identify evidence of chemical and physical changes in matter.

    • 4.1.A.1 A physical change occurs when a substance undergoes a change in properties but not a change in composition. Changes in the phase of a substance (solid, liquid, gas) or formation/separation of mixtures of substances are common physical changes.
    • 4.1.A.2 A chemical change occurs when substances are transformed into new substances, typically with different compositions. Production of heat or light, formation of a gas, formation of a precipitate, and/or color change provide possible evidence that a chemical change has occurred.
    Русский

    Цель обучения 4.1.A: Определить признаки химических и физических изменений вещества.

    • 4.1.A.1 Физическое изменение происходит, когда вещество претерпевает изменение свойств, но не изменения состава. Изменение агрегатного состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) или образование/разделение смесей веществ являются типичными физическими изменениями.
    • 4.1.A.2 Химическое изменение происходит, когда вещества превращаются в новые вещества, обычно с другим составом. Выделение тепла или света, образование газа, образование осадка и/или изменение цвета могут служить признаками того, что произошло химическое изменение.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A chemical reaction 化学反应 rearranges atoms into new substances. Signs one has happened: a color change, a gas or precipitate 沉淀 forming, or a temperature change. Atoms are conserved, so an equation must be balanced – the same count of each element on both sides.

    Русский
    Горение магния: химическая реакция перестраивает атомы и выделяет энергию в виде света и тепла
    Горение магния: химическая реакция перестраивает атомы и выделяет энергию в виде света и тепла

    Химическая реакция перестраивает атомы в новые вещества. Признаки того, что она произошла: изменение цвета, выделение газа или образование осадка, или изменение температуры. Атомы сохраняются, поэтому уравнение должно быть уравнено — одинаковое количество каждого элемента с обеих сторон.

    4.2

    Net Ionic Equations · ⁨Сокращенное ионное уравнение⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.2.A: Represent changes in matter with a balanced chemical or net ionic equation: i. For physical changes. ii. For given information about the identity of the reactants and/or product. iii. For ions in a given chemical reaction.

    • 4.2.A.1 All physical and chemical processes can be represented symbolically by balanced equations.
    • 4.2.A.2 Chemical equations represent chemical changes. These changes are the result of a rearrangement of atoms into new combinations; thus, any representation of a chemical change must contain equal numbers of atoms of every element before and after the change occurred. Equations thus demonstrate that mass and charge are conserved in chemical reactions.
    • 4.2.A.3 Balanced molecular, complete ionic, and net ionic equations are differing symbolic forms used to represent a chemical reaction. The form used to represent the reaction depends on the context in which it is to be used.
    Русский

    Цель обучения 4.2.A: Изобразить изменения вещества с помощью сбалансированного химического или ионного уравнения: i. Для физических изменений. ii. При заданной информации об идентификаторе реагентов и/или продуктов. iii. Для ионов в данной химической реакции.

    • 4.2.A.1 Все физические и химические процессы можно изобразить символически с помощью сбалансированных уравнений.
    • 4.2.A.2 Химические уравнения представляют химические изменения. Эти изменения являются результатом перестановки атомов в новые комбинации; таким образом, любое представление химического изменения должно содержать одинаковое количество атомов каждого элемента до и после发生的 изменения. Таким образом, уравнения демонстрируют сохранение массы и заряда в химических реакциях.
    • 4.2.A.3 Сбалансированные молекулярные, полные ионные и нетто-ионные уравнения — это различные символические формы, используемые для представления химической реакции. Используемая форма зависит от контекста, в котором она будет применяться.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    For reactions in water, ionic compounds split into ions. A net ionic equation 净离子方程式 shows only the species that actually change, leaving out the spectator ions 旁观离子 that appear unchanged on both sides. It captures the real chemistry (e.g. $\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}(s)$).

    Русский

    Для реакций в воде ионные соединения распадаются на ионы. Сокращенное ионное уравнение показывает только те частицы, которые действительно изменяются, исключая ионы-спутники, которые остаются неизменными с обеих сторон. Оно отражает суть химического процесса (например, $\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}(s)$).

    Смешивание двух растворов может привести к образованию нерастворимого осадка
    Смешивание двух растворов может привести к образованию нерастворимого осадка
    4.3

    Three Ways to Represent a Reaction · ⁨Три способа представления реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.3.A: Represent a given chemical reaction or physical process with a consistent particulate model.

    • 4.3.A.1 Balanced chemical equations in their various forms can be translated into symbolic particulate representations.
    Русский

    Цель обучения 4.3.A: Изобразить данную химическую реакцию или физический процесс с помощью согласованной частичной модели.

    • 4.3.A.1 Сбалансированные химические уравнения в различных формах можно перевести в символические частичные представления.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The same reaction can be shown as a symbolic equation, a particulate drawing (atoms and molecules), and a macroscopic observation (what you see). Moving between these levels – connecting the equation to the particles to the beaker – is a core skill.

    Русский

    Одну и ту же реакцию можно показать как символьное уравнение, частицную схему (атомы и молекулы) и макроскопическое наблюдение (то, что видно глазом). Переход между этими уровнями — связывание уравнения с частицами и колбой — является ключевым навыком.

    Уравненная химическая реакция содержит одинаковое количество каждого вида атомов с обеих сторон
    Уравненное уравнение содержит одинаковое количество каждого атома с обеих сторон
    4.4

    Physical Changes versus Chemical Changes · ⁨Физические изменения против химических изменений⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.4.A: Explain the relationship between macroscopic characteristics and bond interactions for: i. Chemical processes. ii. Physical processes.

    • 4.4.A.1 Processes that involve the breaking and/or formation of chemical bonds are typically classified as chemical processes. Processes that involve only changes in intermolecular interactions, such as phase changes, are typically classified as physical processes.
    • 4.4.A.2 Sometimes physical processes involve the breaking of chemical bonds. For example, plausible arguments could be made for the dissolution of a salt in water, as either a physical or chemical process, involves breaking of ionic bonds, and the formation of ion-dipole interactions between ions and solvent.
    Русский

    Цель обучения 4.4.A: Объяснить связь между макроскопическими характеристиками и взаимодействиями связей для: i. Химических процессов. ii. Физических процессов.

    • 4.4.A.1 Процессы, включающие разрыв и/или образование химических связей, обычно классифицируются как химические процессы. Процессы, включающие только изменения межмолекулярных взаимодействий, такие как фазовые переходы, обычно классифицируются как физические процессы.
    • 4.4.A.2 Иногда физические процессы включают разрыв химических связей. Например, можно привести убедительные аргументы в том, что растворение соли в воде, рассматриваемое либо как физический, либо как химический процесс, включает разрыв ионных связей и образование ион-дипольных взаимодействий между ионами и растворителем.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A physical change 物理变化 alters form but not identity (melting, dissolving); a chemical change 化学变化 makes new substances by breaking and forming bonds. Dissolving salt is physical; the salt is unchanged and recoverable.

    Русский

    Физическое изменение меняет форму, но не идентичность (плавление, растворение); химическое изменение образует новые вещества путем разрыва и образования связей. Растворение соли — физический процесс; соль остается неизменной и ее можно восстановить.

    4.5

    Stoichiometry · ⁨Стохиометрия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.5.A: Explain changes in the amounts of reactants and products based on the balanced reaction equation for a chemical process.

    • 4.5.A.1 Because atoms must be conserved during a chemical process, it is possible to calculate product amounts by using known reactant amounts, or to calculate reactant amounts given known product amounts.
    • 4.5.A.2 Coefficients of balanced chemical equations contain information regarding the proportionality of the amounts of substances involved in the reaction. These values can be used in chemical calculations involving the mole concept.
    • 4.5.A.3 Stoichiometric calculations can be combined with the ideal gas law and calculations involving molarity to quantitatively study gases and solutions.
    Русский

    Цель обучения 4.5.A: Объяснить изменения количеств реагентов и продуктов на основе сбалансированного уравнения реакции для химического процесса.

    • 4.5.A.1 Поскольку атомы должны сохраняться во время химического процесса, возможно рассчитать количество продуктов, используя известные количества реагентов, или рассчитать количества реагентов, зная известные количества продуктов.
    • 4.5.A.2 Коэффициенты сбалансированных химических уравнений содержат информацию о пропорциональности количеств веществ, участвующих в реакции. Эти значения можно использовать в химических расчетах, связанных с понятием моля.
    • 4.5.A.3 Стохиометрические расчеты можно объединить с законом идеального газа и расчетами, связанными с молярностью, для количественного изучения газов и растворов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Stoichiometry 化学计量 uses the balanced equation's mole ratios to relate amounts of reactants and products. The path is always grams → moles → (mole ratio) → moles → grams. The limiting reactant 限量反应物 runs out first and sets the maximum product (the theoretical yield 理论产量); the percent yield compares actual to theoretical.

    Worked example. How much water forms when $4.0\ \text{g}$ of hydrogen burns in excess oxygen? $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$. Convert to moles, cross the mole ratio ($2:2=1:1$ here), convert back:

    $$n(\text{H}_2)=\frac{4.0}{2.0}=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;n(\text{H}_2\text{O})=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;m=2.0\times18=36\ \text{g}.$$

    Worked example (limiting reactant). $10.0\ \text{g}$ of N$_2$ reacts with $5.0\ \text{g}$ of H$_2$ ($\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$). Which runs out? Moles: $n(\text{N}_2)=10.0/28=0.36$, $n(\text{H}_2)=5.0/2=2.5$. The reaction needs $3$ H$_2$ per N$_2$; you have $2.5/0.36=7.0$, far more than $3$, so N$_2$ is limiting. It makes $2\times0.36=0.72\ \text{mol}$ of ammonia, with hydrogen left over.

    Русский

    Стохиометрия использует мольные соотношения из уравненного уравнения для связи количеств реагентов и продуктов. Путь всегда таков: граммы → моли → (мольное соотношение) → моли → граммы. Предельный реагент расходуется первым и определяет максимальный выход продукта (теоретический выход); процентный выход сравнивает фактический и теоретический результаты.

    Ограничивающий реагент расходуется первым и определяет количество образующегося продукта
    Предельный реагент расходуется первым и определяет количество образующегося продукта

    Разобранное решение. Сколько воды образуется при горении $4.0\ \text{g}$ водорода в избытке кислорода? $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$. Переведите в моли, пройдите через мольное соотношение ($2:2=1:1$ здесь), переведите обратно:

    $$n(\text{H}_2)=\frac{4.0}{2.0}=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;n(\text{H}_2\text{O})=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;m=2.0\times18=36\ \text{g}.$$

    Разобранное решение (предельный реагент). $10.0\ \text{g}$ N$_2$ реагирует с $5.0\ \text{g}$ H$_2$ ($\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$). Что закончится первым? Количество вещества: $n(\text{N}_2)=10.0/28=0.36$, $n(\text{H}_2)=5.0/2=2.5$. Реакции требуется $3$ H$_2$ на каждый N$_2$; у вас есть $2.5/0.36=7.0$, что намного больше, чем $3$, значит N$_2$ является предельным. Из него образуется $2\times0.36=0.72\ \text{mol}$ аммиака, а водород останется в избытке.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Scale reactants and products by the mole ratio · ⁨Масштабируйте реагенты и продукты по стехиометрическому коэффициенту⁩

    A balanced equation fixes the mole ratio between species. Product amount is proportional to the limiting reactant, scaled by that ratio. · ⁨Уравненная реакция задаёт стехиометрическое соотношение между веществами. Количество продукта пропорционально количеству ограничивающего реагента, умноженному на это соотношение.⁩

    4.6

    Introduction to Titration · ⁨Введение в титрование⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.6.A: Identify the equivalence point in a titration based on the amounts of the titrant and analyte, assuming the titration reaction goes to completion.

    • 4.6.A.1 Titrations may be used to determine the amount of an analyte in solution. The titrant has a known concentration of a species that reacts specifically and quantitatively with the analyte. The equivalence point of the titration occurs when the analyte is totally consumed by the reacting species in the titrant. The equivalence point is often indicated by a change in a property (such as color) that occurs when the equivalence point is reached. This observable event is called the endpoint of the titration.
    Русский

    Цель обучения 4.6.A: Определить точку эквивалентности при титровании на основе количеств титранта и аналита, предполагая, что реакция титрования протекает до конца.

    • 4.6.A.1 Титрование может использоваться для определения количества аналита в растворе. Титрант имеет известную концентрацию вещества, которое специфически и количественно реагирует с аналитом. Точка эквивалентности титрования достигается, когда аналит полностью расходуется реагирующим веществом из титранта. Точка эквивалентности часто определяется изменением свойства (например, цвета), которое происходит при ее наступлении. Это наблюдаемое событие называется точкой окончания титрования.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    An acid–base titration curve

    A titration 滴定 finds an unknown concentration by reacting it with a solution of known concentration until they reach the equivalence point 等当点 (stoichiometrically equal). From the known volume and concentration, use the mole ratio to find the unknown. An indicator or a pH curve signals the endpoint.

    Worked example. $25.0\ \text{mL}$ of hydrochloric acid is exactly neutralized by $30.0\ \text{mL}$ of $0.100\ \text{M}$ NaOH. Find the acid's concentration. The reaction is $1:1$, so the moles match:

    $$n(\text{NaOH})=0.0300\times0.100=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}=n(\text{HCl}),\qquad [\text{HCl}]=\frac{3.00\times10^{-3}}{0.0250}=0.120\ \text{M}.$$

    Русский
    Кривая кислотно-основного титрования

    Титрование позволяет определить неизвестную концентрацию, реагируя её с раствором известной концентрации до достижения точки эквивалентности (стехиометрически равные количества). Зная объем и концентрацию, используйте мольное соотношение для нахождения неизвестного. Индикатор или pH-кривая сигнализируют о точке конца титрования.

    Оборудование для титрования: бюретка подает известный раствор в коническую колбу
    Титровальная установка: бюретка доставляет раствор известного состава в коническую колбу

    Разобранное решение. $25.0\ \text{mL}$ соляной кислоты точно нейтрализуется $30.0\ \text{mL}$ $0.100\ \text{M}$ NaOH. Найдите концентрацию кислоты. Реакция протекает в соотношении $1:1$, поэтому количество веществ совпадает:

    $$n(\text{NaOH})=0.0300\times0.100=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}=n(\text{HCl}),\qquad [\text{HCl}]=\frac{3.00\times10^{-3}}{0.0250}=0.120\ \text{M}.$$

    Установка для титрования: объемы из бюретки позволяют найти концентрацию неизвестного раствора
    Установка для титрования: объемы из бюретки позволяют найти концентрацию раствора неизвестного состава
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Titrate an acid and find the equivalence point · ⁨Протитруйте кислоту и найдите точку эквивалентности⁩

    Adding base to acid raises the pH slowly, then sharply at the equivalence point where moles of acid and base are equal. The steep jump locates that volume. · ⁨Добавление щелочи к кислоте медленно повышает pH, затем резко скачком в точке эквивалентности, где количество вещества кислоты и щелочи равно. Крутой скачок указывает этот объём.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    chemical reaction/ˈkemɪkl rɪˈækʃn/ химическая реакция
    precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ осадком
    net ionic equation/net aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ суммарное ионное уравнение
    spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ ионы-спутники
    physical change/ˈfɪzɪkl tʃeɪndʒ/ физическое изменение
    chemical change/ˈkemɪkl tʃeɪndʒ/ химическое изменение
    Stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ Стоихиометрия
    limiting reactant/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈæktənt/ предельный реагент
    theoretical yield/θɪəˈretɪkl jiːld/ теоретический выход продукта
    titration/taɪˈtreɪʃn/ титрование
    equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/ эквивалентная точка
    acid/ˈæsɪd/ кислотный
    base/beɪs/ основанием
    4.7

    Types of Chemical Reactions · ⁨Типы химических реакций⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.7.A: Identify a reaction as acid-base, oxidation-reduction, or precipitation.

    • 4.7.A.1 Acid-base reactions involve transfer of one or more protons ($\text{H}^+$ ions) between chemical species.
    • 4.7.A.2 Oxidation-reduction (redox) reactions involve transfer of one or more electrons between chemical species, as indicated by changes in oxidation numbers of the involved species. Combustion is an important subclass of oxidation-reduction reactions, in which a species reacts with oxygen gas. In the case of hydrocarbons, carbon dioxide and water are products of complete combustion.
    • 4.7.A.3 In a redox reaction, electrons are transferred from the species that is oxidized to the species that is reduced.
      • Exclusion statement: The meaning of the terms "reducing agent" and "oxidizing agent" will not be assessed on the AP Exam.
    • 4.7.A.4 Oxidation numbers may be assigned to each of the atoms in the reactants and products; this is often an effective way to identify the oxidized and reduced species in a redox reaction.
    • 4.7.A.5 Precipitation reactions frequently involve mixing ions in aqueous solution to produce an insoluble or sparingly soluble ionic compound. All sodium, potassium, ammonium, and nitrate salts are soluble in water.
      • Exclusion statement: Rote memorization of "solubility rules" other than those implied in 4.7.A.5 will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 4.7.A: Определять реакцию как кислотно-основную, окислительно-восстановительную или реакцию осаждения.

    • 4.7.A.1 Кислотно-основные реакции включают перенос одного или нескольких протонов ($\text{H}^+$-ионов) между химическими видами.
    • 4.7.A.2 Окислительно-восстановительные (окислительно-восстановительные) реакции включают перенос одного или нескольких электронов между химическими видами, что отражается в изменении степеней окисления участвующих видов. Горение является важным подклассом окислительно-восстановительных реакций, при котором вещество реагирует с газообразным кислородом. В случае углеводородов продуктами полного горения являются углекислый газ и вода.
    • 4.7.A.3 В окислительно-восстановительной реакции электроны передаются от вида, который окисляется, к виду, который восстанавливается.
      • Исключение: Значения терминов «восстановитель» и «окислитель» не будут проверяться на экзамене AP.
    • 4.7.A.4 Степени окисления могут быть присвоены каждому из атомов в реактантах и продуктах; это часто является эффективным способом identification окисленных и восстановленных видов в окислительно-восстановительной реакции.
    • 4.7.A.5 Реакции осаждения часто включают смешивание ионов в водном растворе для получения нерастворимого или малорастворимого ионного соединения. Все соли натрия, калия, аммония и нитраты растворимы в воде.
      • Исключение: Заучивание наизусть «правил растворимости», кроме тех, которые следуют из 4.7.A.5, не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Common patterns include synthesis (combining), decomposition (breaking apart), combustion (with oxygen, releasing energy), precipitation (forming an insoluble solid), acid–base (proton transfer), and redox (electron transfer). Recognizing the type helps predict the products.

    Русский

    Распространенные паттерны включают синтез (соединение), разложение (распад), горение (с кислородом, с выделением энергии), осаждение (образование нерастворимого твердого вещества), кислотно-основные (перенос протона) и редокс (перенос электронов). Распознавание типа помогает предсказать продукты.

    4.8

    Acid-Base Reactions · ⁨Кислотно-основные реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.8.A: Identify species as Brønsted-Lowry acids, bases, and/or conjugate acid-base pairs, based on proton-transfer involving those species.

    • 4.8.A.1 By definition, a Brønsted-Lowry acid is a proton donor and a Brønsted-Lowry base is a proton acceptor.
    • 4.8.A.2 Only in aqueous solutions, water plays an important role in many acid-base reactions, as its molecular structure allows it to accept protons from and donate protons to dissolved species.
    • 4.8.A.3 When an acid or base ionizes in water, the conjugate acid-base pairs can be identified and their relative strengths compared.
      • Exclusion statement: Lewis acid-base concepts will not be assessed on the AP Exam. The emphasis in AP Chemistry is on reactions in aqueous solution.
    Русский

    Цель обучения 4.8.A: Определять виды как кислоты и основания Бренстеда-Лоури и/или сопряженные кислотно-основные пары на основе переноса протонов, вовлекающих эти виды.

    • 4.8.A.1 По определению, кислота по Бренстеду-Лоури — это донор протона, а основание по Бренстеду-Лоури — это акцептор протона.
    • 4.8.A.2 Только в водных растворах вода играет важную роль во многих кислотно-основных реакциях, поскольку её молекулярная структура позволяет ей принимать протоны от и отдавать протоны растворённым видам.
    • 4.8.A.3 При ионизации кислоты или основания в воде можно определить сопряженные кислотно-основные пары и сравнить их относительную силу.
      • Исключение: Концепция кислот и оснований Льюиса не будет проверяться на экзамене AP. Акцент в химии AP делается на реакциях в водном растворе.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An acid 酸 donates a proton ($\text{H}^+$); a base 碱 accepts one (Brønsted–Lowry). They react to form water and a salt: $\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Strong acids and bases dissociate completely; weak ones only partly.

    Русский

    Кислота отдает протон ($\text{H}^+$); основание принимает его (Бренстед–Лоури). Они реагируют с образованием воды и соли: $\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Сильные кислоты и основания диссоциируют полностью; слабые — лишь частично.

    Бренстед–Лоури: кислота отдает протон основанию, образуя две сопряженные пары
    Бренстед–Лоури: кислота отдает протон основанию, образуя две сопряженные пары
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Move along the pH scale · ⁨Движение по шкале pH⁩

    pH measures how acidic or basic a solution is. Each step of 1 pH is a tenfold change in hydrogen-ion concentration; 7 is neutral, below is acidic, above is basic. · ⁨pH показывает степень кислотности или основности раствора. Каждый шаг по шкале 1 pH соответствует десятикратному изменению концентрации ионов водорода; 7 нейтрален, значения ниже него указывают на кислотную среду, выше — на щелочную.⁩

    4.9

    Oxidation-Reduction (Redox) Reactions · ⁨Окислительно-восстановительные (редокс) реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 4.9.A: Represent a balanced redox reaction equation using half-reactions.

    • 4.9.A.1 Balanced chemical equations for redox reactions can be constructed from half-reactions.
    Русский

    Цель обучения 4.9.A: Представлять уравнение сбалансированной окислительно-восстановительной реакции с использованием полуреакций.

    • 4.9.A.1 Уравнения сбалансированных химических реакций для окислительно-восстановительных процессов могут быть составлены из полуреакций.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    In a redox 氧化还原 reaction, electrons transfer between species. Oxidation 氧化 is loss of electrons (oxidation number rises); reduction 还原 is gain (oxidation number falls). Track changes with oxidation numbers, and remember every oxidation is paired with a reduction – the electrons lost equal the electrons gained.

    Worked example. Find the oxidation number of manganese in permanganate, $\text{KMnO}_4$. Potassium is $+1$ and each oxygen is $-2$ (four of them, $-8$). The whole formula is neutral, so $(+1)+\text{Mn}+(-8)=0$, giving $\text{Mn}=+7$ – its maximum, which is why permanganate is a powerful oxidizing agent (it can only gain electrons).

    Русский

    В редокс-реакции происходит перенос электронов между частицами. Окисление — это потеря электронов (число окисления растет); восстановление — это их присоединение (число окисления падает). Отслеживайте изменения с помощью чисел окисления и помните, что каждое окисление парно с восстановлением — потерянные электроны равны присоединенным.

    Окислительно-восстановительные реакции — это перенос электронов: восстановитель окисляется, окислитель восстанавливается
    Редокс — это перенос электронов: восстановитель окисляется, окислитель восстанавливается

    Разобранный пример. Найдите степень окисления марганца в перманганате, $\text{KMnO}_4$. Калиний имеет $+1$, а каждый кислород — $-2$ (четыре атома, итого $-8$). Вся формула нейтральна, поэтому $(+1)+\text{Mn}+(-8)=0$, что дает $\text{Mn}=+7$ — максимальную степень окисления, благодаря чему перманганат является сильным окислителем (он может только принимать электроны).

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Watch electrons transfer in a redox reaction · ⁨Наблюдайте перенос электронов в окислительно-восстановительной реакции⁩

    In a redox reaction one species is oxidised (loses electrons) and another is reduced (gains them). Follow the electrons move from the metal to the non-metal. · ⁨В окислительно-восстановительной реакции одно вещество окисляется (теряет электроны), а другое восстанавливается (принимает их). Отслеживайте движение электронов от металла к неметаллу.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    redox/rɪˈdɒks/ окислительно-восстановительная реакция (редокс)
    Oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ Окисление
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ восстановление
    4.9

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Balance every equation and work in moles — convert grams→moles, cross the mole ratio, then convert back.
    • Find the limiting reactant by comparing mole ratios; it sets the maximum product (theoretical yield).
    • In redox, remember OIL RIG: oxidation is loss of electrons, reduction is gain; every oxidation is paired with a reduction.
    • For titrations use the balanced ratio to link the known and unknown at the equivalence point.
    • A net ionic equation shows only the species that change; leave out spectator ions.
    Русский
    • Уравняйте каждое уравнение и работайте в молях — переведите граммы в моли, используйте молярное соотношение, затем переведите обратно.
    • Определите предельный реагент, сравнивая молярные соотношения; он определяет максимальный выход продукта (теоретический выход).
    • В реакциях окисления-восстановления помните правило OIL RIG: окисление — это потеря электронов, восстановление — их получение; каждое окисление сопровождается восстановлением.
    • Для титрования используйте уравненное соотношение для связи известного и неизвестного в точке эквивалентности.
    • Сокращенное ионное уравнение показывает только частицы, которые изменяются; исключите ионы-спутники.
  • 5

    Kinetics · ⁨Кинетика⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    5.1

    How Fast a Reaction Goes · ⁨Скорость протекания реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.1.A: Explain the relationship between the rate of a chemical reaction and experimental parameters.

    • 5.1.A.1 The kinetics of a chemical reaction is defined as the rate at which an amount of reactants is converted to products per unit of time.
    • 5.1.A.2 The rates of change of reactant and product concentrations are determined by the stoichiometry in the balanced chemical equation.
    • 5.1.A.3 The rate of a reaction is influenced by reactant concentrations, temperature, surface area, catalysts, and other environmental factors.
    Русский

    Цель обучения 5.1.A: Объяснять связь между скоростью химической реакции и экспериментальными параметрами.

    • 5.1.A.1 Кинетика химической реакции определяется как скорость превращения количества реагентов в продукты за единицу времени.
    • 5.1.A.2 Скорости изменения концентраций реагентов и продуктов определяются стехиометрией в сбалансированном химическом уравнении.
    • 5.1.A.3 На скорость реакции влияют концентрации реагентов, температура, площадь поверхности, катализаторы и другие факторы окружающей среды.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The Maxwell–Boltzmann distribution

    Kinetics 动力学 studies reaction rate 反应速率 – how fast reactants become products. Rate is the change in concentration per unit time, and it typically decreases as reactants are used up. Rate rises with higher concentration, higher temperature, greater surface area, and a catalyst.

    Русский
    Каталитический нейтрализатор: катализаторы ускоряют реакцию за счет снижения энергии активации, не расходуясь при этом
    Каталитический нейтрализатор: катализаторы ускоряют реакцию за счет снижения энергии активации, не расходуясь при этом
    Распределение Максвелла–Больцмана

    Кинетика изучает скорость реакции — как быстро реагенты превращаются в продукты. Скорость определяется изменением концентрации за единицу времени и обычно уменьшается по мере расхода реагентов. Скорость возрастает при увеличении концентрации, повышении температуры, увеличении площади поверхности и наличии катализатора.

    Больше частиц в том же объёме → чаще столкновения → рост скорости
    Больше частиц в том же объёме → чаще столкновения → рост скорости
    Газовый шприц: измерение объема газа во времени позволяет определить скорость реакции по наклону графика
    Газовый шприц: измерение объема газа во времени позволяет определить скорость реакции по наклону графика
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Change conditions and watch the rate · ⁨Изменяйте условия и наблюдайте скорость реакции⁩

    Reaction rate rises with temperature, concentration, and a catalyst — each gives more frequent or more successful collisions. Change each and watch the reaction speed up. · ⁨Скорость реакции возрастает с повышением температуры, концентрации и при наличии катализатора — каждое условие увеличивает частоту или эффективность столкновений. Изменяйте параметры и наблюдайте ускорение реакции.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Kinetics/kɪˈnetɪks/ Кинетика
    reaction rate/rɪˈækʃn reɪt/ скорость реакции
    rate law/reɪt lɔː/ закон скорости реакции
    rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/ константа скорости
    orders/ˈɔːdəz/ порядки
    catalyst/ˈkætəlɪst/ катализатором
    5.2

    Writing the Rate Law · ⁨Составление кинетического уравнения⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.2.A: Represent experimental data with a consistent rate law expression.

    • 5.2.A.1 Experimental methods can be used to monitor the amounts of reactants and/or products of a reaction over time and to determine the rate of the reaction.
    • 5.2.A.2 The rate law expresses the rate of a reaction as proportional to the concentration of each reactant raised to a power.
    • 5.2.A.3 The power of each reactant in the rate law is the order of the reaction with respect to that reactant. The sum of the powers of the reactant concentrations in the rate law is the overall order of the reaction.
    • 5.2.A.4 The proportionality constant in the rate law is called the rate constant. The value of this constant is temperature dependent and the units reflect the overall reaction order.
    • 5.2.A.5 Comparing initial rates of a reaction is a method to determine the order with respect to each reactant.
    Русский

    Цель обучения 5.2.A: Представлять экспериментальные данные с помощью согласованного выражения закона скорости.

    • 5.2.A.1 Экспериментальные методы могут использоваться для мониторинга количества реагентов и/или продуктов реакции во времени, а также для определения скорости реакции.
    • 5.2.A.2 Закон скорости выражает скорость реакции как величину, пропорциональную концентрации каждого реагента, возведенной в определенную степень.
    • 5.2.A.3 Степень каждого реагента в законе скорости называется порядком реакции по данному реагенту. Сумма степеней концентраций реагентов в законе скорости является общим порядком реакции.
    • 5.2.A.4 Константа пропорциональности в законе скорости называется константой скорости. Значение этой константы зависит от температуры, а единицы измерения отражают общий порядок реакции.
    • 5.2.A.5 Сравнение начальных скоростей реакции является методом определения порядка по каждому реагенту.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The rate law 速率方程 relates rate to reactant concentrations:

    $$\text{rate}=k[\text{A}]^m[\text{B}]^n,$$
    where $k$ is the rate constant 速率常数 and $m,n$ are the orders 级数. Orders are found experimentally (not from the balanced coefficients) by seeing how the rate changes when you change one concentration at a time.

    Worked example. In experiments, doubling $[\text{A}]$ makes the rate four times larger, while doubling $[\text{B}]$ leaves the rate unchanged. So the reaction is second order in A ($2^2=4$) and zero order in B, giving $\text{rate}=k[\text{A}]^2$. The overall order is $2+0=2$. Never read the orders off the balanced coefficients – only experiment gives them.

    Русский

    Кинетическое уравнение связывает скорость с концентрациями реагентов:

    $$\text{rate}=k[\text{A}]^m[\text{B}]^n,$$
    где $k$ — константа скорости, а $m,n$ — порядки. Порядок определяется экспериментально (а не из коэффициентов уравнения) путем анализа изменения скорости при изменении одной концентрации в отдельности.

    Зависимость скорости от концентрации для реакций нулевого, первого и второго порядков
    Зависимость скорости от концентрации для реакций нулевого, первого и второго порядка

    Разобранный пример. В экспериментах удвоение $[\text{A}]$ увеличивает скорость в четыре раза, тогда как удвоение $[\text{B}]$ не меняет скорость. Следовательно, реакция имеет второй порядок по A ($2^2=4$) и нулевой порядок по B, что дает $\text{rate}=k[\text{A}]^2$. Общий порядок составляет $2+0=2$. Никогда не определяйте порядки по коэффициентам уравненного уравнения — это можно сделать только экспериментально.

    5.3

    Concentration Over Time · ⁨Концентрация со временем⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.3.A: Identify the rate law expression of a chemical reaction using data that show how the concentrations of reaction species change over time.

    • 5.3.A.1 The order of a reaction can be inferred from a graph of concentration of reactant versus time.
    • 5.3.A.2 If a reaction is first order with respect to a reactant being monitored, a plot of the natural log (ln) of the reactant concentration as a function of time will be linear.
    • 5.3.A.3 If a reaction is second order with respect to a reactant being monitored, a plot of the reciprocal of the concentration of that reactant versus time will be linear.
    • 5.3.A.4 The slopes of the concentration versus time data for zeroth, first, and second order reactions can be used to determine the rate constant for the reaction.
      • Zeroth order:
      • Equation: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
      • First order:
      • Equation: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
      • Second order:
      • Equation: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
    • 5.3.A.5 Half-life is a critical parameter for first order reactions because the half-life is constant and related to the rate constant for the reaction by the equation:
      • Equation: $t_{1/2} = 0.693/k.$
    • 5.3.A.6 Radioactive decay processes provide an important illustration of first order kinetics.
    Русский

    Цель обучения 5.3.A: Определить выражение закона скорости химической реакции, используя данные, показывающие, как изменяются концентрации видов реакции со временем.

    • 5.3.A.1 Порядок реакции можно определить по графику зависимости концентрации реагента от времени.
    • 5.3.A.2 Если реакция первого порядка по наблюдаемому реагенту, то график натурального логарифма (ln) концентрации этого реагента в зависимости от времени будет линейным.
    • 5.3.A.3 Если реакция второго порядка по наблюдаемому реагенту, то график обратной величины концентрации этого реагента в зависимости от времени будет линейным.
    • 5.3.A.4 Угловые коэффициенты данных зависимости концентрации от времени для реакций нулевого, первого и второго порядка могут быть использованы для определения константы скорости реакции.
      • Нулевой порядок:
      • Уравнение: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
      • Первый порядок:
      • Уравнение: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
      • Второй порядок:
      • Уравнение: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
    • 5.3.A.5 Период полураспада является критическим параметром для реакций первого порядка, поскольку он постоянен и связан с константой скорости реакции уравнением:
      • Уравнение: $t_{1/2} = 0.693/k.$
    • 5.3.A.6 Процессы радиоактивного распада служат важным примером кинетики первого порядка.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The integrated rate laws describe how concentration falls with time and give straight-line tests:

    • Zero order: $[\text{A}]$ vs $t$ is linear.
    • First order: $\ln[\text{A}]$ vs $t$ is linear; constant half-life 半衰期.
    • Second order: $\dfrac{1}{[\text{A}]}$ vs $t$ is linear.

    Whichever plot is straight tells you the order and gives $k$ from its slope.

    Worked example. A first-order reaction has rate constant $k=0.030\ \text{s}^{-1}$. Its half-life is

    $$t_{1/2}=\frac{0.693}{k}=\frac{0.693}{0.030}=23\ \text{s},$$
    and, being first order, that half-life stays the same no matter how much reactant remains – so after $46\ \text{s}$ ($2$ half-lives) one quarter is left.

    Русский

    Интегральные кинетические уравнения описывают убывание концентрации со временем и дают линейные зависимости для проверки:

    Реакция первого порядка имеет постоянное время полураспада
    Реакция первого порядка имеет постоянное время полураспада
    • Нулевой порядок: зависимость $[\text{A}]$ от $t$ является линейной.
    • Первый порядок: зависимость $\ln[\text{A}]$ от $t$ является линейной; постоянная период полураспада.
    • Второй порядок: зависимость $\dfrac{1}{[\text{A}]}$ от $t$ является линейной.

    Тот график, который получается прямым, указывает на порядок реакции и позволяет найти $k$ по его наклону.

    Разобранный пример. Реакция первого порядка имеет константу скорости $k=0.030\ \text{s}^{-1}$. Ее период полураспада равен

    $$t_{1/2}=\frac{0.693}{k}=\frac{0.693}{0.030}=23\ \text{s},$$
    и, поскольку реакция первого порядка, этот период полураспада остается неизменным независимо от количества оставшегося реагента — поэтому после $46\ \text{s}$ ($2$ периодов полураспада) останется одна четверть.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Track concentration as a reaction runs · ⁨Отслеживайте изменение концентрации в ходе реакции⁩

    As reactants are used up the rate slows, so a concentration-time curve is steep at first and flattens out. Raising temperature or adding a catalyst steepens it. · ⁨По мере расходования реагентов скорость замедляется, поэтому график зависимости концентрации от времени круто спадает в начале и выполаживается. Повышение температуры или добавление катализатора делают кривую более крутой.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    half-life/hɑːf laɪf/ период полураспада
    reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ механизм реакции
    elementary steps/ˌelɪˈmentəri steps/ элементарные стадии
    intermediates/ˌɪntəˈmiːdɪəts/ промежуточные вещества
    5.4

    The Steps a Reaction Really Takes · ⁨Этапы, через которые проходит реакция⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.4.A: Represent an elementary reaction as a rate law expression using stoichiometry.

    • 5.4.A.1 The rate law of an elementary reaction can be inferred from the stoichiometry of the particles participating in a collision.
    • 5.4.A.2 Elementary reactions involving the simultaneous collision of three or more particles are rare.
    Русский

    Цель обучения 5.4.A: Представить элементарную реакцию в виде выражения закона скорости, используя стехиометрию.

    • 5.4.A.1 Закон скорости элементарной реакции можно вывести из стехиометрии частиц, участвующих в столкновении.
    • 5.4.A.2 Элементарные реакции, включающие одновременное столкновение трех или более частиц, встречаются редко.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A reaction mechanism 反应机理 is the sequence of elementary steps 基元反应 that actually occur. Their molecularity (how many particles collide in a step) sets that step's rate law directly. Species made in one step and used up in a later one are intermediates 中间体.

    Русский

    Механизм реакции — это последовательность элементарных стадий, которые фактически происходят. Их молекулярность (количество сталкивающихся частиц на стадии) напрямую определяет кинетическое уравнение этой стадии. Вещества, образующиеся на одной стадии и расходуемые на последующей, называются промежуточными продуктами.

    5.5

    Why Collisions Do or Do Not React · ⁨Почему столкновения приводят или не приводят к реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.5.A: Explain the relationship between the rate of an elementary reaction and the frequency, energy, and orientation of particle collisions.

    • 5.5.A.1 For an elementary reaction to successfully produce products, reactants must successfully collide to initiate bond-breaking and bond-making events.
    • 5.5.A.2 In most reactions, only a small fraction of the collisions leads to a reaction. Successful collisions have both sufficient energy to overcome the activation energy requirements and orientations that allow the bonds to rearrange in the required manner.
    • 5.5.A.3 The Maxwell-Boltzmann distribution curve describes the distribution of particle energies; this distribution can be used to gain a qualitative estimate of the fraction of collisions with sufficient energy to lead to a reaction, and also how that fraction depends on temperature.
    Русский

    Цель обучения 5.5.A: Объяснить связь между скоростью элементарной реакции, частотой, энергией и ориентацией столкновений частиц.

    • 5.5.A.1 Чтобы элементарная реакция успешно привела к образованию продуктов, реагенты должны эффективно столкнуться, инициировав процессы разрыва и образования химических связей.
    • 5.5.A.2 В большинстве реакций лишь малая доля столкновений приводит к реакции. Эффективные столкновения обладают достаточной энергией для преодоления требований активационной энергии и правильной ориентацией, позволяющей связям перестроиться требуемым образом.
    • 5.5.A.3 Кривая распределения Максвелла-Больцмана описывает распределение энергий частиц; это распределение может быть использовано для качественной оценки доли столкновений, обладающих достаточной энергией для протекания реакции, а также того, как эта доля зависит от температуры.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Collision theory

    Collision theory 碰撞理论: molecules must collide with enough energy (the activation energy 活化能, $E_a$) and the correct orientation to react. Higher temperature means more molecules exceed $E_a$, so the reaction speeds up sharply.

    Русский
    Теория столкновений

    Теория столкновений: молекулы должны сталкиваться с достаточной энергией (энергия активации, $E_a$) и правильной ориентацией, чтобы发生了 реакция. Повышение температуры означает, что больше молекул обладают энергией выше $E_a$, поэтому реакция резко ускоряется.

    Реакция происходит только при правильной ориентации и достаточной энергии столкновения
    Реакция происходит только при правильной ориентации и достаточной энергии столкновения
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Which molecules clear the activation energy · ⁨Какие молекулы преодолевают порог активации⁩

    Only collisions with energy above the activation energy react. Heating shifts the speed distribution right, so a much larger fraction of molecules can react. · ⁨Реагируют только столкновения с энергией выше энергии активации. Нагревание смещает распределение скоростей вправо, поэтому значительно большая доля молекул способна вступить в реакцию.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/ Теория столкновений
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ энергия активации
    energy profile/ˈenədʒi ˈprəʊfaɪl/ энергетический профиль
    transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ Ea =
    5.6

    Reading an Energy Profile · ⁨Чтение энергетической диаграммы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.6.A: Represent the activation energy and overall energy change in an elementary reaction using a reaction energy profile.

    • 5.6.A.1 Elementary reactions typically involve the breaking of some bonds and the forming of new ones.
    • 5.6.A.2 The reaction coordinate is the axis along which the complex set of motions involved in rearranging reactants to form products can be plotted.
    • 5.6.A.3 The energy profile gives the energy along the reaction coordinate, which typically proceeds from reactants, through a transition state, to products. The energy difference between the reactants and the transition state is the activation energy for the forward reaction.
    • 5.6.A.4 The rate of an elementary reaction is temperature dependent because the proportion of particle collisions that are energetic enough to reach the transition state varies with temperature. The Arrhenius equation relates the temperature dependence of the rate of an elementary reaction to the activation energy needed by molecular collisions to reach the transition state.
      • Exclusion statement: Calculations involving the Arrhenius equation will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 5.6.A: Изобразить энергию активации и общее изменение энергии в элементарной реакции с помощью энергетического профиля реакции.

    • 5.6.A.1 Элементарные реакции обычно включают разрыв некоторых связей и образование новых.
    • 5.6.A.2 Координата реакции — это ось, вдоль которой можно изобразить сложный комплекс движений, необходимых для перестройки реагентов в продукты.
    • 5.6.A.3 Энергетический профиль показывает энергию вдоль координаты реакции, которая обычно протекает от реагентов через переходное состояние к продуктам. Разница энергий между реагентами и переходным состоянием является энергией активации прямой реакции.
    • 5.6.A.4 Скорость элементарной реакции зависит от температуры, так как доля столкновений частиц, обладающих достаточной энергией для достижения переходного состояния, изменяется с температурой. Уравнение Аррениуса связывает зависимость скорости элементарной реакции от температуры с энергией активации, необходимой молекулярным столкновениям для достижения переходного состояния.
      • Исключение: Вычисления с использованием уравнения Аррениуса не будут оцениваться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Reaction energy profile

    An energy profile 能量图 plots energy along the reaction path. The peak is the transition state 过渡态; the climb from reactants to the peak is $E_a$; the difference between reactant and product energies is the enthalpy change $\Delta H$ (down for exothermic).

    Русский
    Энергетическая диаграмма реакции

    Энергетическая диаграмма отображает энергию вдоль пути реакции. Пик соответствует переходному состоянию; подъем от реагентов к пику — это $E_a$; разница между энергиями реагентов и продуктов — изменение энтальпии $\Delta H$ (отрицательное для экзотермических реакций).

    В экзотермических реакциях продукты находятся ниже, чем исходные вещества; в эндотермических — выше
    Экзотермические реакции заканчиваются ниже исходных веществ; эндотермические — выше
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Read activation energy off the profile · ⁨Определите энергию активации по профилю⁩

    An energy profile plots energy along the reaction. The hump is the activation energy; the drop from reactants to products is $\Delta H$. A catalyst lowers the hump. · ⁨Энергетический профиль отображает энергию вдоль хода реакции. Горб — это энергия активации; спад от реагентов к продуктам обозначает $\Delta H$. Катализатор снижает высоту горба.⁩

    5.7

    The Sequence of Steps · ⁨Последовательность этапов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.7.A: Identify the components of a reaction mechanism.

    • 5.7.A.1 A reaction mechanism consists of a series of elementary reactions, or steps, that occur in sequence. The components may include reactants, intermediates, products, and catalysts.
    • 5.7.A.2 The elementary steps when combined should align with the overall balanced equation of a chemical reaction.
    • 5.7.A.3 A reaction intermediate is produced by some elementary steps and consumed by others, such that it is present only while a reaction is occurring.
    • 5.7.A.4 Experimental detection of a reaction intermediate is a common way to build evidence in support of one reaction mechanism over an alternative mechanism.
      • Exclusion statement: Collection of data pertaining to detection of a reaction intermediate will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 5.7.A: Определить компоненты механизма реакции.

    • 5.7.A.1 Механизм реакции состоит из серии элементарных реакций, или стадий, которые происходят последовательно. Компонентами могут быть реагенты, промежуточные продукты, продукты и катализаторы.
    • 5.7.A.2 Совокупность элементарных стадий должна соответствовать общему сбалансированному уравнению химической реакции.
    • 5.7.A.3 Промежуточный продукт реакции образуется на некоторых стадиях и расходуется на других, поэтому он присутствует только во время протекания реакции.
    • 5.7.A.4 Экспериментальное обнаружение промежуточного продукта реакции является распространенным способом получения доказательств в пользу одного механизма реакции вместо альтернативного.
      • Исключение: Сбор данных, относящихся к обнаружению промежуточного продукта реакции, не будет оцениваться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    In a multi-step mechanism, the steps must add up to the overall balanced equation (intermediates cancel). Each step has its own energy hill; the tallest hill is the slowest step.

    Русский

    В многостадийном механизме суммирование всех стадий должно давать общее уравненное уравнение (промежуточные продукты сокращаются). Каждая стадия имеет свой энергетический барьер; самый высокий барьер соответствует самой медленной стадии.

    Наиболее медленная стадия с наибольшим барьером является определяющей скорость реакции
    Медленная стадия с более высоким барьером определяет скорость реакции
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/ определяющего скорость этапа
    5.8

    Finding the Rate Law From a Mechanism · ⁨Определение кинетического уравнения по механизму⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.8.A: Identify the rate law for a reaction from a mechanism in which the first step is rate limiting.

    • 5.8.A.1 For reaction mechanisms in which each elementary step is irreversible, or in which the first step is rate limiting, the rate law of the reaction is set by the molecularity of the slowest elementary step (i.e., the rate-limiting step).
      • Exclusion statement: Collection of data pertaining to detection of a reaction intermediate will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 5.8.A: Определить закон скорости реакции по механизму, в котором первая стадия является определяющей скорость.

    • 5.8.A.1 Для механизмов реакций, в которых каждый элементарный этап необратим или где первый этап является лимитирующим, кинетическое уравнение реакции определяется молекулярностью самого медленного элементарного этапа (т.е. лимитирующего этапа).
      • Исключение: Сбор данных, относящихся к обнаружению промежуточного продукта реакции, не будет оцениваться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The rate-determining step 决速步骤 is the slowest step; its molecularity gives the overall rate law. A valid mechanism must (1) add to the overall reaction and (2) predict the experimentally observed rate law.

    Worked example. Suppose the slow (rate-determining) step is the bimolecular collision $\text{NO}_2+\text{NO}_2\rightarrow\text{NO}_3+\text{NO}$. Its molecularity gives the rate law directly: $\text{rate}=k[\text{NO}_2]^2$. If experiment shows exactly this, the proposed mechanism is consistent; if experiment gave $\text{rate}=k[\text{NO}_2]$, the mechanism would be wrong.

    Русский

    Определяющая скорость стадия — самая медленная стадия; ее молекулярность задает общий кинетический закон. Верный механизм должен (1) суммироваться в общую реакцию и (2) предсказывать наблюдаемый экспериментально кинетический закон.

    Разобранный пример. Предположим, что медленная (определяющая скорость) стадия представляет собой бимолекулярное столкновение $\text{NO}_2+\text{NO}_2\rightarrow\text{NO}_3+\text{NO}$. Ее молекулярность сразу дает кинетическое уравнение: $\text{rate}=k[\text{NO}_2]^2$. Если эксперимент подтверждает именно это, предложенный механизм согласуется с данными; если бы эксперимент показал $\text{rate}=k[\text{NO}_2]$, механизм был бы неверным.

    5.9

    When the First Step Is Fast · ⁨Когда первая стадия протекает быстро⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.9.A: Identify the rate law for a reaction from a mechanism in which the first step is not rate limiting.

    • 5.9.A.1 If the first elementary reaction is not rate limiting, approximations (such as pre-equilibrium) must be made to determine a rate law expression.
    Русский

    Цель обучения 5.9.A: Определить кинетическое уравнение для реакции по механизму, в котором первый этап не является лимитирующим.

    • 5.9.A.1 Если первый элементарный этап не является лимитирующим, необходимо использовать приближения (например, предравновесие) для вывода выражения кинетического уравнения.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    If a fast step precedes the slow one, an intermediate appears in the slow step's rate law. Use the fast pre-equilibrium to rewrite that intermediate in terms of reactants, so the final rate law contains only measurable species.

    Русский

    Если быстрая стадия предшествует медленной, промежуточный продукт появляется в кинетическом уравнении медленной стадии. Используйте быстрое предварительное равновесие, чтобы выразить этот промежуточный продукт через реагенты, чтобы итоговое кинетическое уравнение содержало только измеряемые вещества.

    5.10

    Energy Profiles for Many Steps · ⁨Энергетические диаграммы для многостадийных реакций⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.10.A: Represent the activation energy and overall energy change in a multistep reaction with a reaction energy profile.

    • 5.10.A.1 Knowledge of the energetics of each elementary reaction in a mechanism allows for the construction of an energy profile for a multistep reaction.
    Русский

    Цель обучения 5.10.A: Представлять энергию активации и общее изменение энергии в многоступенчатой реакции с помощью энергетического профиля реакции.

    • 5.10.A.1 Знание энергетики каждой элементарной реакции в механизме позволяет построить энергетический профиль для многоступенчатой реакции.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A multi-step reaction's profile shows several peaks (one per step) with valleys (intermediates) between them. The highest peak is the rate-determining transition state – it controls the overall rate.

    Русский

    Профиль многоступенчатой реакции показывает несколько пиков (по одному на каждую ступень) с провалами (промежуточными продуктами) между ними. Самый высокий пик соответствует переходному состоянию, определяющему скорость реакции, — именно он контролирует общую скорость процесса.

    5.11

    How Catalysts Speed Things Up · ⁨Как катализаторы ускоряют реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 5.11.A: Explain the relationship between the effect of a catalyst on a reaction and changes in the reaction mechanism.

    • 5.11.A.1 In order for a catalyst to increase the rate of a reaction, the addition of the catalyst must increase the number of effective collisions and/or provide a reaction path with a lower activation energy relative to the original reaction coordinate.
    • 5.11.A.2 In a reaction mechanism containing a catalyst, the net concentration of the catalyst is constant. However, the catalyst will frequently be consumed in the rate-determining step of the reaction, only to be regenerated in a subsequent step in the mechanism.
    • 5.11.A.3 Some catalysts accelerate a reaction by binding to the reactant(s). The reactants are either oriented more favorably or react with lower activation energy. There is often a new reaction intermediate in which the catalyst is bound to the reactant(s). Many enzymes function in this manner.
    • 5.11.A.4 Some catalysts involve covalent bonding between the catalyst and the reactant(s). An example is acid-base catalysis, in which a reactant or intermediate either gains or loses a proton. This introduces a new reaction intermediate and new elementary reactions involving that intermediate.
    • 5.11.A.5 In surface catalysis, a reactant or intermediate binds to, or forms a covalent bond with, the surface. This introduces elementary reactions involving these new bound reaction intermediate(s).
    Русский

    Цель обучения 5.11.A: Объяснять связь между влиянием катализатора на реакцию и изменениями в механизме реакции.

    • 5.11.A.1 Для того чтобы катализатор увеличил скорость реакции, его добавление должно увеличить число эффективных столкновений и/или обеспечить путь реакции с более низкой энергией активации относительно исходной координаты реакции.
    • 5.11.A.2 В механизме реакции, содержащем катализатор, суммарная концентрация катализатора остается постоянной. Однако катализатор часто расходуется на стадии, определяющей скорость реакции, только для того, чтобы быть регенерированным на последующем этапе механизма.
    • 5.11.A.3 Некоторые катализаторы ускоряют реакцию, связываясь с реагент(ами). Реагенты либо ориентируются более благоприятно, либо реагируют с меньшей энергией активации. Часто образуется новый реакционный интермедиат, в котором катализатор связан с реагент(ами). Многие ферменты функционируют таким образом.
    • 5.11.A.4 Некоторые катализаторы предполагают образование ковалентных связей между катализатором и реагент(ами). Примером является кислотно-основной катализ, при котором реагент или интермедиат либо принимает, либо отдает протон. Это приводит к появлению нового реакционного интермедиата и новых элементарных реакций, включающих этот интермедиат.
    • 5.11.A.5 В поверхностном катализе реагент или интермедиат связывается с поверхностью или образует с ней ковалентную связь. Это приводит к элементарным реакциям, включающим эти новые связанные реакционные интермедиаты.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A catalyst 催化剂 speeds a reaction by providing a new pathway with a lower activation energy, without being consumed. It does not change $\Delta H$ or the equilibrium position – only how fast equilibrium is reached. On an energy profile, a catalyst lowers the peak(s).

    Русский

    Катализатор ускоряет реакцию, предоставляя новый путь с меньшей энергией активации, не расходуясь при этом. Он не изменяет $\Delta H$ или положение равновесия — лишь то, как быстро достигается равновесие. На энергетическом профиле катализатор снижает пик(и).

    Катализатор предоставляет путь с низкой энергией активации; изменение энтальпии остаётся неизменным
    Катализатор предоставляет путь с низкой энергией активации; изменение энтальпии остаётся неизменным
    5.11

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Rate rises with concentration, temperature, surface area, and a catalyst — explain each with collision theory (more, or more energetic, successful collisions).
    • Temperature works mainly by getting more particles above the activation energy, not just more collisions.
    • Reaction orders come from experiment, not the balanced coefficients — see how the rate changes when one concentration is varied.
    • On an energy profile the hill height is the activation energy and the reactant–product gap is $\Delta H$.
    • A catalyst lowers the activation energy (a new pathway) but leaves $\Delta H$ and the equilibrium position unchanged.
    Русский
    • Скорость возрастает при увеличении концентрации, температуры, площади поверхности и наличии катализатора — объясните каждый фактор с помощью теории столкновений (большее количество или более энергичные успешные столкновения).
    • Температура действует в основном за счет того, что больше частиц получают энергию выше порога активации, а не просто из-за увеличения числа столкновений.
    • Порядки реакции определяются экспериментально, а не коэффициентами в уравнении — посмотрите, как меняется скорость при изменении одной концентрации.
    • На энергетическом профиле высота холма соответствует энергии активации, а разница между реагентами и продуктами — это $\Delta H$.
    • Катализатор снижает энергию активации (предоставляя новый путь), но оставляет $\Delta H$ и положение равновесия без изменений.
  • 6

    Thermochemistry · ⁨Термохимия⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    6.1

    Endothermic and Exothermic Processes · ⁨Эндотермические и экзотермические процессы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.1.A: Explain the relationship between experimental observations and energy changes associated with a chemical or physical transformation.

    • 6.1.A.1 Temperature changes in a system indicate energy changes.
    • 6.1.A.2 Energy changes in a system can be described as endothermic and exothermic processes such as the heating or cooling of a substance, phase changes, or chemical transformations.
    • 6.1.A.3 When a chemical reaction occurs, the energy of the system either decreases (exothermic reaction), increases (endothermic reaction), or remains the same. For exothermic reactions, the energy lost by the reacting species (system) is gained by the surroundings, as heat transfer from or work done by the system. Likewise, for endothermic reactions, the system gains energy from the surroundings by heat transfer to or work done on the system.
    • 6.1.A.4 The formation of a solution may be an exothermic or endothermic process, depending on the relative strengths of intermolecular/interparticle interactions before and after the dissolution process.
    Русский

    Цель обучения 6.1.A: Объяснить связь между экспериментальными наблюдениями и изменениями энергии, связанными с химическими или физическими преобразованиями.

    • 6.1.A.1 Изменения температуры в системе указывают на изменения энергии.
    • 6.1.A.2 Изменения энергии в системе можно описать как эндо- и экзотермические процессы, такие как нагревание или охлаждение вещества, фазовые переходы или химические превращения.
    • 6.1.A.3 При протекании химической реакции энергия системы либо уменьшается (экзотермическая реакция), либо увеличивается (эндо-термическая реакция), либо остается неизменной. Для экзотермических реакций энергия, теряемая реагирующими веществами (системой), поглощается окружающей средой за счет теплопередачи от системы или работы, совершаемой системой. Аналогично, для эндо-термических реакций система получает энергию из окружающей среды за счет теплопередачи в систему или работы, совершаемой над системой.
    • 6.1.A.4 Образование раствора может быть экзотермическим или эндо-термическим процессом в зависимости от относительной силы межмолекулярных/межчастичных взаимодействий до и после процесса растворения.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Thermochemistry 热化学 tracks energy in reactions. A process is exothermic 放热 if it releases energy to the surroundings (feels hot, $\Delta H<0$) and endothermic 吸热 if it absorbs energy (feels cold, $\Delta H>0$). Breaking bonds costs energy; forming bonds releases it – the net decides the sign.

    Русский
    Мгновенный холодный пакет: эндотермические процессы поглощают тепло из окружающей среды
    Мгновенный холодный пакет: эндотермические процессы поглощают тепло из окружающей среды

    Термохимия отслеживает энергию в реакциях. Процесс является экзотермическим, если он выделяет энергию в окружающую среду (ощущается как жаркий, $\Delta H<0$), и эндотермическим, если он поглощает энергию (ощущается как холодный, $\Delta H>0$). Разрыв связей требует энергии; образование связей выделяет её — разность определяет знак.

    Экзотермическая реакция нагревает окружающую среду; эндотермическая охлаждает её
    Экзотермическая реакция нагревает окружающую среду; эндотермическая охлаждает её
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Compare endothermic and exothermic profiles · ⁨Сравните профили эндотермических и экзотермических реакций⁩

    An exothermic reaction releases energy (products lower than reactants, $\Delta H<0$); an endothermic one absorbs it. The hump is the activation energy. · ⁨Экзотермическая реакция выделяет энергию (продукты ниже реагентов, $\Delta H<0$); эндотермическая — поглощает её. Горб на обоих графиках соответствует энергии активации.⁩

    6.2

    Energy Diagrams · ⁨Энергетические диаграммы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.2.A: Represent a chemical or physical transformation with an energy diagram.

    • 6.2.A.1 A physical or chemical process can be described with an energy diagram that shows the endothermic or exothermic nature of that process.
    Русский

    Цель обучения 6.2.A: Изобразить химическое или физическое преобразование с помощью диаграммы энергии.

    • 6.2.A.1 Физический или химический процесс можно описать с помощью диаграммы энергии, показывающей эндо- или экзотермическую природу этого процесса.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An energy diagram plots energy from reactants to products. Reactants above products means exothermic; below means endothermic. The vertical gap between them is the enthalpy change $\Delta H$.

    Русский

    Энергетическая диаграмма отображает изменение энергии от реагентов к продуктам. Если реагенты находятся выше продуктов, процесс экзотермический; если ниже — эндотермический. Вертикальный разрыв между ними составляет изменение энтальпии $\Delta H$.

    Энергетические диаграммы: продукты экзотермической реакции находятся ниже реагентов, эндотермической — выше
    Энергетические диаграммы: продукты экзотермической реакции находятся ниже реагентов, эндотермической — выше
    6.3

    Heat Transfer and Thermal Equilibrium · ⁨Теплообмен и тепловое равновесие⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.3.A: Explain the relationship between the transfer of thermal energy and molecular collisions.

    • 6.3.A.1 The particles in a warmer body have a greater average kinetic energy than those in a cooler body.
    • 6.3.A.2 Collisions between particles in thermal contact can result in the transfer of energy. This process is called "heat transfer," "heat exchange," or "transfer of energy as heat."
    • 6.3.A.3 Eventually, thermal equilibrium is reached as the particles continue to collide. At thermal equilibrium, the average kinetic energy of both bodies is the same, and hence, their temperatures are the same.
    Русский

    Цель обучения 6.3.A: Объяснить связь между передачей тепловой энергии и молекулярными столкновениями.

    • 6.3.A.1 Частицы в более теплом теле имеют большую среднюю кинетическую энергию, чем частицы в более холодном теле.
    • 6.3.A.2 Столкновения между частицами, находящимися в тепловом контакте, могут привести к передаче энергии. Этот процесс называется «теплопередачей», «теплообменом» или «передачей энергии в виде тепла».
    • 6.3.A.3 В конечном итоге устанавливается тепловое равновесие по мере того, как частицы продолжают сталкиваться. В состоянии теплового равновесия средняя кинетическая энергия обоих тел одинакова, а следовательно, их температуры также совпадают.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Heat 热量 flows from hot to cold until objects reach thermal equilibrium 热平衡 (equal temperature). Energy is conserved: the heat lost by the hot object equals the heat gained by the cold one.

    Русский

    Тепло передается от горячего к холодному до достижения теплового равновесия (одинаковой температуры). Энергия сохраняется: тепло, отданное горячим телом, равно теплу, полученному холодным.

    6.4

    Heat Capacity and Calorimetry · ⁨Теплоемкость и калориметрия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.4.A: Calculate the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing heating/cooling based on the amount of the substance, the heat capacity, and the change in temperature.

    • 6.4.A.1 The heating of a cool body by a warmer body is an important form of energy transfer between two systems. The amount of heat transferred between two bodies may be quantified by the heat transfer equation:

      • Equation: $q = mc\Delta T$.

      Calorimetry experiments are used to measure the transfer of heat.

    • 6.4.A.2 The first law of thermodynamics states that energy is conserved in chemical and physical processes.

    • 6.4.A.3 The transfer of a given amount of thermal energy will not produce the same temperature change in equal masses of matter with differing specific heat capacities.

    • 6.4.A.4 Heating a system increases the energy of the system, while cooling a system decreases the energy of the system.

    • 6.4.A.5 The specific heat capacity of a substance and the molar heat capacity are both used in energy calculations.

    • 6.4.A.6 Chemical systems change their energy through three main processes: heating/cooling, phase transitions, and chemical reactions.

    • 6.4.A.7 In calorimetry experiments involving dissolution, temperature changes of the mixture within the calorimeter can be used to determine the direction of energy flow. If the temperature of the mixture increases, thermal energy is released by the dissolution process (exothermic). If the temperature of the mixture decreases, thermal energy is absorbed by the dissolution process (endothermic).

    Русский

    Цель обучения 6.4.A: Рассчитать количество теплоты $q$, поглощенное или выделенное системой при нагревании/охлаждении, на основе количества вещества, теплоемкости и изменения температуры.

    • 6.4.A.1 Нагревание холодного тела более теплым телом является важной формой передачи энергии между двумя системами. Количество переданной теплоты между двумя телами может быть количественно определено уравнением теплопередачи:

      • Уравнение: $q = mc\Delta T$.

      Калориметрические эксперименты используются для измерения теплопередачи.

    • 6.4.A.2 Первый закон термодинамики гласит, что энергия сохраняется в химических и физических процессах.

    • 6.4.A.3 Передача определенного количества тепловой энергии не вызовет одинакового изменения температуры у равных масс веществ с различной удельной теплоемкостью.

    • 6.4.A.4 Нагревание системы увеличивает её энергию, а охлаждение системы уменьшает её энергию.

    • 6.4.A.5 Удельная теплоемкость вещества и молярная теплоемкость используются в расчетах энергии.

    • 6.4.A.6 Химические системы изменяют свою энергию тремя основными способами: нагреванием/охлаждением, фазовыми переходами и химическими реакциями.

    • 6.4.A.7 В калориметрических экспериментах, связанных с растворением, изменения температуры смеси внутри калориметра могут использоваться для определения направления потока энергии. Если температура смеси повышается, тепловая энергия выделяется процессом растворения (экзотермически). Если температура смеси понижается, тепловая энергия поглощается процессом растворения (эндо-термически).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The heat to change a substance's temperature is

    $$q=mc\,\Delta T,$$
    where $c$ is the specific heat 比热容 (energy per gram per degree). Calorimetry 量热法 measures a reaction's heat by tracking the temperature change of surrounding water: the heat the water gains equals the heat the reaction releases.

    Worked example. A reaction in a coffee-cup calorimeter warms $100\ \text{g}$ of water by $8.0\,{}^{\circ}\text{C}$ ($c=4.18\ \text{J/(g}\,{}^{\circ}\text{C)}$). The heat absorbed by the water is

    $$q=mc\,\Delta T=100\times4.18\times8.0=3.3\times10^{3}\ \text{J}.$$
    By energy conservation the reaction released this $3.3\ \text{kJ}$, so it is exothermic ($q_{\text{rxn}}=-3.3\ \text{kJ}$).

    Русский

    Теплота, необходимая для изменения температуры вещества, равна

    $$q=mc\,\Delta T,$$
    где $c$ — удельная теплоемкость (энергия на грамм на градус). Калориметрия измеряет теплоту реакции, отслеживая изменение температуры окружающей воды: тепло, полученное водой, равно теплоте, выделенной реакцией.

    Калориметрия: измерение изменения температуры известного объема раствора
    Калориметрия: измерение изменения температуры известного объема раствора

    Разбор примера. Реакция в кофейном калориметре нагревает $100\ \text{g}$ воды на $8.0\,{}^{\circ}\text{C}$ ($c=4.18\ \text{J/(g}\,{}^{\circ}\text{C)}$). Теплота, поглощенная водой, равна

    $$q=mc\,\Delta T=100\times4.18\times8.0=3.3\times10^{3}\ \text{J}.$$
    Согласно закону сохранения энергии, реакция выделила это количество $3.3\ \text{kJ}$, поэтому она экзотермическая ($q_{\text{rxn}}=-3.3\ \text{kJ}$).

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Heat different materials · ⁨Разные материалы по-разному нагреваются⁩

    $Q=mc\Delta T$: a high specific heat (like water's) means a lot of energy for a small temperature rise. Compare materials for the same heat input. · ⁨$Q=mc\Delta T$: высокая удельная теплоёмкость (как у воды) означает, что для небольшого повышения температуры требуется много энергии. Сравните материалы при одинаковом подводе тепла.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Thermochemistry/ˈθɜːməkemɪstri/ Термохимия
    exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ экзотермическая
    endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ эндотермическая
    Heat/hiːt/ Теплота
    thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ тепловое равновесие
    specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/ удельная теплоемкость
    Calorimetry/ˌkælɔːˈrɪmətri/ Калориметрия
    phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ фазовый переход
    enthalpy of reaction/enˈθælpi ɒv rɪˈækʃn/ энтальпия реакции
    state function/steɪt ˈfʌŋkʃn/ функция состояния
    standard enthalpy of formation/ˈstændəd enˈθælpi ɒv fɔːˈmeɪʃn/ стандартная энтальпия образования
    Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ Закон Гесса
    6.5

    Energy of Phase Changes · ⁨Энергия фазовых переходов⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.5.A: Explain changes in the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing a phase transition based on the amount of the substance in moles and the molar enthalpy of the phase transition.

    • 6.5.A.1 Energy must be transferred to a system to cause a substance to melt (or boil). The energy of the system therefore increases as the system undergoes a solid-to-liquid (or liquid-to-gas) phase transition. Likewise, a system releases energy when it freezes (or condenses). The energy of the system decreases as the system undergoes a liquid-to-solid (or gas-to-liquid) phase transition. The temperature of a pure substance remains constant during a phase change.
    • 6.5.A.2 The energy absorbed during a phase change is equal to the energy released during a complementary phase change in the opposite direction. For example, the molar enthalpy of condensation of a substance is equal to the negative of its molar enthalpy of vaporization. Similarly, the molar enthalpy of fusion can be used to calculate the energy absorbed when melting a substance and the energy released when freezing a substance.
    Русский

    Цель обучения 6.5.A: Объяснять изменения количества теплоты $q$, поглощенного или выделенного системой во время фазового перехода, на основе количества вещества в молях и молярной энтальпии фазового перехода.

    • 6.5.A.1 К системе должна быть подведена энергия, чтобы вызвать плавление (или кипение) вещества. Следовательно, энергия системы возрастает по мере того, как система претерпевает фазовый переход твердое тело–жидкость (или жидкость–газ). Аналогично, система выделяет энергию при замерзании (или конденсации). Энергия системы снижается по мере того, как система претерпевает фазовый переход жидкость–твердое тело (или газ–жидкость). Температура чистого вещества остается постоянной во время фазового перехода.
    • 6.5.A.2 Энергия, поглощенная во время фазового перехода, равна энергии, выделяемой при противоположном фазовом переходе. Например, молярная энтальпия конденсации вещества равна отрицательному значению его молярной энтальпии испарения. Аналогично, молярную энтальпию плавления можно использовать для расчета энергии, поглощаемой при плавлении вещества, и энергии, выделяемой при его замерзании.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    During a phase change 相变 (melting, boiling) the temperature stays constant while heat goes into breaking intermolecular forces, not raising kinetic energy. The energy needed is $q=n\,\Delta H_{\text{fus}}$ (melting) or $q=n\,\Delta H_{\text{vap}}$ (boiling) – the flat steps on a heating curve.

    Русский

    Во время фазового перехода (плавления, кипения) температура остается постоянной, пока тепло идет на разрыв межмолекулярных связей, а не на увеличение кинетической энергии. Необходимая энергия — это $q=n\,\Delta H_{\text{fus}}$ (плавление) или $q=n\,\Delta H_{\text{vap}}$ (кипение) — горизонтальные участки на графике нагрева.

    Пар от кипящей воды: фазовые переходы поглощают или выделяют энергию при постоянной температуре
    Пар от кипящей воды: фазовые переходы поглощают или выделяют энергию при постоянной температуре
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Heat through a phase change · ⁨Нагрев в процессе фазового перехода⁩

    During a phase change the temperature holds flat while energy breaks bonds — the latent heat. Watch the plateaus at melting and boiling. · ⁨Во время фазового перехода температура остаётся постоянной, пока энергия расходуется на разрыв связей — скрытая теплота. Наблюдайте горизонтальные участки при плавлении и кипении.⁩

    6.6

    Introduction to Enthalpy of Reaction · ⁨Введение в энтальпию реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.6.A: Calculate the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing a chemical reaction in relationship to the amount of the reacting substance in moles and the molar enthalpy of reaction.

    • 6.6.A.1 The enthalpy change of a reaction gives the amount of heat energy released (for negative values) or absorbed (for positive values) by a chemical reaction at constant pressure.
    • 6.6.A.2 When the products of a reaction are at a different temperature than their surroundings, they exchange energy with the surroundings to reach thermal equilibrium. Thermal energy is transferred to the surroundings as the reactants convert to products in an exothermic reaction. Thermal energy is transferred from the surroundings as the reactants convert to products in an endothermic reaction.
    • 6.6.A.3 The chemical potential energy of the products of a reaction is different from that of the reactants because of the breaking and forming of bonds. The energy difference results in a change in the kinetic energy of the particles, which manifests as a temperature change.
      • Exclusion Statement: The technical distinctions between enthalpy and internal energy will not be assessed on the AP Exam. Most reactions studied at the AP level are carried out at constant pressure, where the enthalpy change of the process is equal to the heat (and by extension, the energy) of reaction.
    Русский

    Учебная цель 6.6.A: Вычислить тепло $q$, поглощенное или выделенное системой при химической реакции, в зависимости от количества реагирующего вещества в молях и мольной энтальпии реакции.

    • 6.6.A.1 Изменение энтальпии реакции определяет количество тепловой энергии, выделяемой (для отрицательных значений) или поглощаемой (для положительных значений) химической реакцией при постоянном давлении.
    • 6.6.A.2 Когда продукты реакции имеют другую температуру по сравнению с окружающей средой, они обмениваются энергией с окружающей средой до достижения теплового равновесия. Тепловая энергия передается в окружающую среду, когда реагенты превращаются в продукты в экзотермической реакции. Тепловая энергия передается из окружающей среды, когда реагенты превращаются в продукты в эндотермической реакции.
    • 6.6.A.3 Химическая потенциальная энергия продуктов реакции отличается от таковой у реагентов из-за разрыва и образования связей. Разница в энергии приводит к изменению кинетической энергии частиц, что проявляется в изменении температуры.
      • Замечание об исключении: Технические различия между энтальпией и внутренней энергией не будут проверяться на экзамене AP. Большинство реакций, изучаемых на уровне AP, проводятся при постоянном давлении, где изменение энтальпии процесса равно теплоте (и, следовательно, энергии) реакции.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The enthalpy of reaction 反应焓 $\Delta H_{\text{rxn}}$ is the heat released or absorbed at constant pressure. Because enthalpy is a state function 状态函数, $\Delta H$ depends only on the initial and final states, not the path taken – the key that makes the next three methods work.

    Русский

    Энтальпия реакции $\Delta H_{\text{rxn}}$ — это теплота, выделяемая или поглощаемая при постоянном давлении. Поскольку энтальпия является функцией состояния, $\Delta H$ зависит только от начального и конечного состояний, а не от пути протекания — это ключевой принцип, позволяющий использовать следующие три метода.

    6.7

    Bond Enthalpies · ⁨Энтальпии связей⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.7.A: Calculate the enthalpy change of a reaction based on the average bond energies of bonds broken and formed in the reaction.

    • 6.7.A.1 During a chemical reaction, bonds are broken and/or formed, and these events change the potential energy of the system.
    • 6.7.A.2 The average energy required to break all of the bonds in the reactant molecules can be estimated by adding up the average bond energies of all the bonds in the reactant molecules. Likewise, the average energy released in forming the bonds in the product molecules can be estimated. If the energy released is greater than the energy required, the reaction is exothermic. If the energy required is greater than the energy released, the reaction is endothermic.
    Русский

    Учебная цель 6.7.A: Вычислить изменение энтальпии реакции на основе средних энергий разрыва и образования связей в реакции.

    • 6.7.A.1 В ходе химической реакции связи рвутся и/или образуются, и эти события изменяют потенциальную энергию системы.
    • 6.7.A.2 Среднюю энергию, необходимую для разрыва всех связей в молекулах реагентов, можно оценить, сложив средние энергии всех связей в молекулах реагентов. Аналогично, можно оценить среднюю энергию, выделяемую при образовании связей в молекулах продуктов. Если выделяемая энергия больше необходимой, реакция является экзотермической. Если необходимая энергия больше выделяемой, реакция является эндотермической.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    One way to estimate $\Delta H$: sum the energy to break all reactant bonds, then subtract the energy released forming product bonds:

    $$\Delta H \approx \sum (\text{bonds broken}) - \sum (\text{bonds formed}).$$
    This is an approximation, since bond enthalpies are averages.

    Worked example. Estimate $\Delta H$ for $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ using bond enthalpies H–H $=436$, Cl–Cl $=242$, H–Cl $=431\ \text{kJ/mol}$. Break both reactant bonds ($436+242=678$) and form two H–Cl bonds ($2\times431=862$):

    $$\Delta H\approx 678-862=-184\ \text{kJ},$$
    exothermic, because the strong H–Cl bonds formed release more than the reactant bonds cost.

    Русский

    Один из способов оценить $\Delta H$: сложить энергию, необходимую для разрыва всех связей реагентов, затем вычесть энергию, выделяемую при образовании связей продуктов:

    $$\Delta H \approx \sum (\text{bonds broken}) - \sum (\text{bonds formed}).$$
    Это приближение, поскольку значения энтальпий связей являются усредненными.

    Разрыв связей поглощает энергию; образование связей выделяет её
    Разрыв связей поглощает энергию; образование связей выделяет её

    Разбор примера. Оцените $\Delta H$ для $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$, используя энтальпии связей H–H $=436$, Cl–Cl $=242$, H–Cl $=431\ \text{kJ/mol}$. Разорвите обе связи реагентов ($436+242=678$) и образуйте две связи H–Cl ($2\times431=862$):

    $$\Delta H\approx 678-862=-184\ \text{kJ},$$
    экзотермическая, потому что прочные связи H–Cl, которые образуются, выделяют больше энергии, чем требуется для разрыва связей реагентов.

    6.8

    Enthalpy of Formation · ⁨Энтальпия образования⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.8.A: Calculate the enthalpy change for a chemical or physical process based on the standard enthalpies of formation.

    • 6.8.A.1 Tables of standard enthalpies of formation can be used to calculate the standard enthalpies of reactions.
      • Equation: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$
    Русский

    Учебная цель 6.8.A: Вычислить изменение энтальпии для химического или физического процесса на основе стандартных энтальпий образования.

    • 6.8.A.1 Таблицы стандартных энтальпий образования могут использоваться для расчета стандартных энтальпий реакций.
      • Уравнение: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The standard enthalpy of formation 生成焓 $\Delta H_f^\circ$ is the enthalpy to make one mole of a compound from its elements (zero for an element in its standard state). Then

    $$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reactants}).$$

    Worked example. Find $\Delta H_{\text{rxn}}^\circ$ for burning methane, $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$, given $\Delta H_f^\circ$: CH$_4=-75$, CO$_2=-394$, H$_2$O$=-286\ \text{kJ/mol}$ (O$_2=0$). Products minus reactants:

    $$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ=[-394+2(-286)]-[-75+0]=-966+75=-891\ \text{kJ},$$
    a large release, as expected for a combustion.

    Русский

    Стандартная энтальпия образования $\Delta H_f^\circ$ — это энтальпия, необходимая для получения одного моля соединения из элементов (нулевая для элемента в его стандартном состоянии). Тогда

    $$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reactants}).$$

    Образование создает соединение из элементов; горение сжигает его в кислороде
    Образование создает соединение из элементов; горение сжигает его в кислороде

    Разбор примера. Найдите $\Delta H_{\text{rxn}}^\circ$ для горения метана, $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$, зная $\Delta H_f^\circ$: CH$_4=-75$, CO$_2=-394$, H$_2$O$=-286\ \text{kJ/mol}$ (O$_2=0$). Продукты минус реагенты:

    $$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ=[-394+2(-286)]-[-75+0]=-966+75=-891\ \text{kJ},$$
    большое выделение тепла, как и следовало ожидать для процесса горения.

    6.9

    Hess's Law · ⁨Закон Гесса⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 6.9.A: Represent a chemical or physical process as a sequence of steps.

    • 6.9.A.1 Many processes can be broken down into a series of steps. Each step in the series has its own energy change.

    Learning Objective 6.9.B: Explain the relationship between the enthalpy of a chemical or physical process and the sum of the enthalpies of the individual steps.

    • 6.9.B.1 Because total energy is conserved (first law of thermodynamics), and each individual reaction in a sequence transfers thermal energy to or from the surroundings, the net thermal energy transferred in the sequence will be equal to the sum of the thermal energy transfers in each of the steps. These thermal energy transfers are the result of potential energy changes among the species in the reaction sequence; thus, at constant pressure, the enthalpy change of the overall process is equal to the sum of the enthalpy changes of the individual steps.
    • 6.9.B.2 The following are essential principles of Hess's law:
      • i. When a reaction is reversed, the enthalpy change stays constant in magnitude but becomes reversed in mathematical sign.
      • ii. When a reaction is multiplied by a factor $c$, the enthalpy change is multiplied by the same factor $c$.
      • iii. When two (or more) reactions are added to obtain an overall reaction, the individual enthalpy changes of each reaction are added to obtain the net enthalpy change of the overall reaction.
      • Exclusion Statement: The concept of state functions will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Учебная цель 6.9.A: Представить химический или физический процесс как последовательность этапов.

    • 6.9.A.1 Многие процессы можно разбить на серию этапов. Каждый этап в этой серии имеет свое собственное изменение энергии.

    Учебная цель 6.9.B: Объяснить связь между энтальпией химического или физического процесса и суммой энтальпий отдельных этапов.

    • 6.9.B.1 Поскольку полная энергия сохраняется (первый закон термодинамики), и каждый отдельный этап в последовательности передает тепловую энергию в окружающую среду или получает ее от нее, суммарная переданная тепловая энергия в последовательности будет равна сумме тепловых переносов на каждом из этапов. Эти переносы тепловой энергии являются результатом изменений потенциальной энергии между видами в последовательности реакций; таким образом, при постоянном давлении изменение энтальпии общего процесса равно сумме изменений энтальпии отдельных этапов.
    • 6.9.B.2 Следующие принципы являются основными для закона Гесса:
      • i. При обратном направлении реакции изменение энтальпии остается неизменным по модулю, но меняет математический знак на противоположный.
      • ii. При умножении реакции на коэффициент $c$, изменение энтальпии умножается на тот же коэффициент $c$.
      • iii. При сложении двух (или более) реакций для получения общей реакции индивидуальные изменения энтальпий каждой реакции складываются для получения суммарного изменения энтальпии общей реакции.
      • Замечание об исключении: Понятие функций состояния не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Hess's law: the route does not matter

    Hess's law 盖斯定律: if a reaction is the sum of several steps, its $\Delta H$ is the sum of the steps' $\Delta H$ values. Reverse a step and flip the sign; scale a step and scale its $\Delta H$. This lets you find a hard-to-measure $\Delta H$ by combining known reactions – a frequent exam calculation.

    Русский
    Закон Гесса: маршрут не имеет значения

    Закон Гесса: если реакция представляет собой сумму нескольких этапов, её $\Delta H$ равна сумме значений $\Delta H$ этих этапов. Инвертируйте этап и измените знак; умножьте этап на коэффициент и умножьте его $\Delta H$. Это позволяет найти трудноизмеримую величину $\Delta H$ путем комбинирования известных реакций — частое задание в экзаменах.

    Закон Гесса: прямой и косвенный пути дают одинаковое суммарное изменение энтальпии
    Закон Гесса: прямой и косвенный пути дают одинаковое суммарное изменение энтальпии
    6.9

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • An exothermic reaction has $\Delta H<0$ (feels hot); endothermic has $\Delta H>0$ — always give $\Delta H$ a sign and units.
    • In calorimetry use $q=mc\,\Delta T$ with the mass of the water/solution; the reaction releases what the water gains.
    • Bond enthalpies: $\Delta H\approx\sum(\text{bonds broken})-\sum(\text{bonds made})$ — breaking is endothermic, making is exothermic (the classic sign trap).
    • Hess's law: the total $\Delta H$ is the sum of the steps' — reverse a step and flip the sign, scale a step and scale $\Delta H$.
    • During a phase change the temperature stays constant while energy goes into the forces between particles.
    Русский
    • Экзотермическая реакция имеет $\Delta H<0$ (ощущается как жар); эндотермическая — $\Delta H>0$; всегда указывайте знак и единицы измерения для $\Delta H$.
    • В калориметрии используйте $q=mc\,\Delta T$ вместе с массой воды/раствора; реакция выделяет ровно столько энергии, сколько получает вода.
    • Энтальпии связей: $\Delta H\approx\sum(\text{bonds broken})-\sum(\text{bonds made})$ — разрыв является эндотермическим, образование — экзотермическим (классическая ловушка со знаками).
    • Закон Гесса: общее $\Delta H$ равно сумме шагов; если изменить направление шага — измените знак, если умножить шаг на коэффициент — умножьте $\Delta H$.
    • Во время фазового перехода температура остается постоянной, а энергия расходуется на взаимодействие между частицами.
  • 7

    Equilibrium · ⁨Равновесная⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    7.1

    Introduction to Equilibrium · ⁨Введение в равновесие⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.1.A: Explain the relationship between the occurrence of a reversible chemical or physical process, and the establishment of equilibrium, to experimental observations.

    • 7.1.A.1 Many observable processes are reversible. Examples include evaporation and condensation of water, absorption and desorption of a gas, or dissolution and precipitation of a salt. Some important reversible chemical processes include the transfer of protons in acid-base reactions and the transfer of electrons in redox reactions.
    • 7.1.A.2 When equilibrium is reached, no observable changes occur in the system. Reactants and products are simultaneously present, and the concentrations or partial pressures of all species remain constant.
    • 7.1.A.3 The equilibrium state is dynamic. The forward and reverse processes continue to occur at equal rates, resulting in no net observable change.
    • 7.1.A.4 Graphs of concentration, partial pressure, or rate of reaction versus time for simple chemical reactions can be used to understand the establishment of chemical equilibrium.
    Русский

    Учебная цель 7.1.A: Объяснить связь между протеканием обратимого химического или физического процесса и установлением равновесия с экспериментальными наблюдениями.

    • 7.1.A.1 Многие наблюдаемые процессы являются обратимыми. Примерами являются испарение и конденсация воды, адсорбция и десорбция газа, или растворение и осаждение соли. Важные обратимые химические процессы включают перенос протонов в кислотно-основных реакциях и перенос электронов в окислительно-восстановительных реакциях.
    • 7.1.A.2 Когда достигается равновесие, в системе не происходит никаких наблюдаемых изменений. Реагенты и продукты присутствуют одновременно, а концентрации или парциальные давления всех видов остаются постоянными.
    • 7.1.A.3 Состояние равновесия является динамическим. Прямой и обратный процессы продолжают происходить с одинаковыми скоростями, что приводит к отсутствию наблюдаемого чистого изменения.
    • 7.1.A.4 Графики зависимости концентрации, парциального давления или скорости реакции от времени для простых химических реакций могут быть использованы для понимания установления химического равновесия.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Dynamic equilibrium

    A reversible reaction 可逆反应 runs both ways. Chemical equilibrium 化学平衡 is reached when the forward and reverse rates become equal, so concentrations stop changing. Equilibrium is dynamic – both reactions continue, but at matching rates, so nothing appears to change.

    The rates graph above explains why concentrations settle; this next graph shows what the concentrations do – reactants fall and products rise until, once the rates match, both hold constant (they need not be equal).

    Русский
    Растворы хлорида кобальта: системы равновесия смещаются при изменении условий (принцип Ле Шателье)
    Растворы хлорида кобальта: системы равновесия смещаются при изменении условий (принцип Ле Шателье)
    Динамическое равновесие

    Обратимая реакция протекает в обоих направлениях. Химическое равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными, и концентрации перестают меняться. Равновесие динамическое — обе реакции продолжаются, но с одинаковой скоростью, поэтому внешне ничего не меняется.

    Динамическое равновесие: скорости прямой и обратной реакций становятся равными
    Динамическое равновесие: скорости прямой и обратной реакций становятся равными

    График скоростей выше объясняет почему концентрации стабилизируются; следующий график показывает как ведут себя концентрации — реагенты уменьшаются, продукты увеличиваются до тех пор, пока скорости не сравняются, после чего они остаются постоянными (при этом сами значения концентраций могут быть разными).

    Концентрации реагентов и продуктов меняются, затем остаются постоянными после достижения равновесия
    Концентрации реагентов и продуктов изменяются, затем становятся постоянными после достижения равновесия
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ обратимая реакция
    Chemical equilibrium/ˈkemɪkl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ Химическое равновесие
    reaction quotient/rɪˈækʃn ˈkwəʊʃənt/ квазиравновесная константа (quotient of reaction)
    equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ константа равновесия
    Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ Принцип Ле Шателье
    solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/ произведение растворимости
    7.2

    Direction of Reversible Reactions · ⁨Направление обратимых реакций⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.2.A: Explain the relationship between the direction in which a reversible reaction proceeds and the relative rates of the forward and reverse reactions.

    • 7.2.A.1 If the rate of the forward reaction is greater than the reverse reaction, then there is a net conversion of reactants to products. If the rate of the reverse reaction is greater than that of the forward reaction, then there is a net conversion of products to reactants. An equilibrium state is reached when these rates are equal.
    Русский

    Цель обучения 7.2.A: Объяснять связь между направлением протекания обратимой реакции и соотношением скоростей прямой и обратной реакций.

    • 7.2.A.1 Если скорость прямой реакции больше скорости обратной, то происходит чистый переход реагентов в продукты. Если скорость обратной реакции больше скорости прямой, то происходит чистый переход продуктов в реагенты. Состояние равновесия достигается, когда эти скорости равны.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    At equilibrium the amounts of reactants and products are fixed but usually not equal. Whether the mixture favors products or reactants depends on the reaction; you compare the current state to the equilibrium condition to predict which way it shifts.

    Русский

    При равновесии количества реагентов и продуктов фиксированы, но обычно не равны. То, какой состав преобладает, зависит от конкретной реакции; вы сравниваете текущее состояние с условием равновесия, чтобы предсказать направление смещения.

    7.3

    The Reaction Quotient and Equilibrium Constant · ⁨Показатель реакции и константа равновесия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.3.A: Represent the reaction quotient $Q_c$ or $Q_p$, for a reversible reaction, and the corresponding equilibrium expressions $K_c = Q_c$ or $K_p = Q_p$.

    • 7.3.A.1 The reaction quotient $Q_c$ describes the relative concentrations of reaction species at any time. For gas phase reactions, the reaction quotient may instead be written in terms of partial pressures as $Q_p$. The reaction quotient tends toward the equilibrium constant such that at equilibrium $K_c = Q_c$ and $K_p = Q_p$. As examples, for the reaction

      $$a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightleftarrows c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$$
      the law of mass action indicates that the equilibrium expression for $(K_c, Q_c)$ is

      • Equation: $K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}$

      and that for $(K_p, Q_p)$ is

      • Equation: $K_p = \dfrac{(P_\mathrm{C})^c (P_\mathrm{D})^d}{(P_\mathrm{A})^a (P_\mathrm{B})^b}$
      • Exclusion statement: Conversion between $K_c$ and $K_p$ will not be assessed on the AP Exam. Students should be aware of the conceptual differences and pay attention to whether $K_c$ or $K_p$ is used in an exam question.
      • Exclusion statement: Equilibrium calculations on systems where a dissolved species is in equilibrium with that species in the gas phase will not be assessed on the AP Exam.
    • 7.3.A.2 The reaction quotient does not include substances whose concentrations (or partial pressures) are independent of the amount, such as for solids and pure liquids.

    Русский

    Цель обучения 7.3.A: Представлять реакционный коэффициент $Q_c$ или $Q_p$ для обратимой реакции, а также соответствующие выражения для константы равновесия $K_c = Q_c$ или $K_p = Q_p$.

    • 7.3.A.1 Реакционный коэффициент $Q_c$ описывает относительные концентрации видов реакции в любой момент времени. Для газофазных реакций реакционный коэффициент также может быть записан через парциальные давления как $Q_p$. Реакционный коэффициент стремится к константе равновесия так, что при равновесии $K_c = Q_c$ и $K_p = Q_p$. В качестве примера, для реакции

      $$a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightleftarrows c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$$
      закон действующих масс указывает, что выражение для константы равновесия $(K_c, Q_c)$ имеет вид

      • Уравнение: $K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}$

      а для константы равновесия $(K_p, Q_p)$ —

      • Уравнение: $K_p = \dfrac{(P_\mathrm{C})^c (P_\mathrm{D})^d}{(P_\mathrm{A})^a (P_\mathrm{B})^b}$
      • Исключение: Перевод между $K_c$ и $K_p$ не будет проверяться на экзамене AP. Студентам следует знать концептуальные различия и обращать внимание на то, какое из выражений, $K_c$ или $K_p$, используется в вопросе экзамена.
      • Исключение: Расчеты равновесия для систем, где растворенное вещество находится в равновесии с этим же веществом в газовой фазе, не будут проверяться на экзамене AP.
    • 7.3.A.2 Реакционный коэффициент не включает вещества, концентрации (или парциальные давления) которых не зависят от количества, например твердые вещества и чистые жидкости.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The reaction quotient 反应商 $Q$ has the same form as the equilibrium expression but uses current concentrations:

    $$Q=\frac{[\text{products}]}{[\text{reactants}]}\ \text{(each raised to its coefficient)}.$$
    At equilibrium $Q$ equals the equilibrium constant 平衡常数 $K$. Comparing them predicts direction: $Q shifts forward (toward products); $Q>K$ shifts reverse; $Q=K$ means already at equilibrium.

    Русский

    Показатель реакции $Q$ имеет ту же форму, что и выражение для равновесия, но использует текущие концентрации:

    $$Q=\frac{[\text{products}]}{[\text{reactants}]}\ \text{(each raised to its coefficient)}.$$
    В состоянии равновесия $Q$ равно константе равновесия $K$. Сопоставление этих величин позволяет предсказать направление реакции: если $Q, реакция смещается в прямом направлении (к продуктам); если $Q>K$ — в обратном; если $Q=K$, то система уже находится в состоянии равновесия.

    7.4

    Calculating the Equilibrium Constant · ⁨Расчет константы равновесия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.4.A: Calculate $K_c$ or $K_p$ based on experimental observations of concentrations or pressures at equilibrium.

    • 7.4.A.1 Equilibrium constants can be determined from experimental measurements of the concentrations or partial pressures of the reactants and products at equilibrium.
    Русский

    Цель обучения 7.4.A: Рассчитывать константу равновесия $K_c$ или $K_p$ на основе экспериментальных данных о концентрациях или давлениях в состоянии равновесия.

    • 7.4.A.1 Константы равновесия определяются по экспериментальным измерениям концентраций или парциальных давлений реагентов и продуктов в состоянии равновесия.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Write $K$ from the balanced equation (pure solids and liquids are left out). From equilibrium concentrations (or partial pressures for $K_p$), plug in and compute. $K_c$ uses molarities; $K_p$ uses pressures.

    Worked example. For $\text{N}_2\text{O}_4\rightleftharpoons2\text{NO}_2$, the equilibrium concentrations are $[\text{N}_2\text{O}_4]=0.20\ \text{M}$ and $[\text{NO}_2]=0.10\ \text{M}$. Then

    $$K_c=\frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}=\frac{(0.10)^2}{0.20}=0.050.$$
    The NO$_2$ coefficient of $2$ becomes the power; N$_2$O$_4$ (coefficient $1$) is just to the first power.

    Русский

    Запишите $K$ по уравнению реакции (чистые твердые вещества и жидкости исключаются). Подставьте равновесные концентрации (или парциальные давления для $K_p$) и вычислите. Для $K_c$ используются молярности; для $K_p$ — давления.

    Разобранный пример. Для $\text{N}_2\text{O}_4\rightleftharpoons2\text{NO}_2$ равновесные концентрации составляют $[\text{N}_2\text{O}_4]=0.20\ \text{M}$ и $[\text{NO}_2]=0.10\ \text{M}$. Тогда

    $$K_c=\frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}=\frac{(0.10)^2}{0.20}=0.050.$$
    Коэффициент NO$_2$ в $2$ становится степенью; N$_2$O$_4$ (коэффициент $1$) возводится только в первую степень.

    7.5

    Magnitude of the Equilibrium Constant · ⁨Величина константы равновесия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.5.A: Explain the relationship between very large or very small values of $K$ and the relative concentrations of chemical species at equilibrium.

    • 7.5.A.1 Some equilibrium reactions have very large $K$ values and proceed essentially to completion. Others have very small $K$ values and barely proceed at all.
    Русский

    Цель обучения 7.5.A: Объяснять связь между очень большими или очень малыми значениями константы равновесия $K$ и относительными концентрациями химических видов в состоянии равновесия.

    • 7.5.A.1 Некоторые реакции равновесия имеют очень большие значения константы $K$ и протекают практически до конца. Другие имеют очень малые значения константы $K$ и почти не протекают вовсе.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    • $K\gg 1$: products strongly favored (reaction nearly complete).
    • $K\ll 1$: reactants favored (little reaction).
    • $K\approx 1$: significant amounts of both.

    The size of $K$ tells you where the equilibrium "sits."

    Русский
    • $K\gg 1$: продукты сильно преобладают (рекция почти идет до конца).
    • $K\ll 1$: преобладают реагенты (реакция слабо идет).
    • $K\approx 1$: значительные количества обоих компонентов.

    Величина $K$ указывает, где «расположено» равновесие.

    7.6

    Properties of the Equilibrium Constant · ⁨Свойства константы равновесия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.6.A: Represent a multistep process with an overall equilibrium expression, using the constituent $K$ expressions for each individual reaction.

    • 7.6.A.1 When a reaction is reversed, $K$ is inverted.
    • 7.6.A.2 When the stoichiometric coefficients of a reaction are multiplied by a factor $c$, $K$ is raised to the power $c$.
    • 7.6.A.3 When reactions are added together, the $K$ of the resulting overall reaction is the product of the $K$'s for the reactions that were summed.
    • 7.6.A.4 Since the expressions for $K$ and $Q$ have identical mathematical forms, all valid algebraic manipulations of $K$ also apply to $Q$.
    Русский

    Цель обучения 7.6.A: Представлять многоступенчатый процесс общим выражением константы равновесия, используя составляющие выражения константы $K$ для каждой отдельной реакции.

    • 7.6.A.1 При обратлении реакции константа равновесия $K$ переворачивается.
    • 7.6.A.2 При умножении стехиометрических коэффициентов реакции на множитель $c$, константа равновесия $K$ возводится в степень $c$.
    • 7.6.A.3 При сложении реакций константа равновесия $K$ полученной общей реакции равна произведению констант $K$ суммированных реакций.
    • 7.6.A.4 Поскольку выражения для константы равновесия $K$ и $Q$ имеют идентичные математические формы, все допустимые алгебраические преобразования константы $K$ также применимы к константе $Q$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    $K$ changes in predictable ways: reversing a reaction inverts $K$ ($1/K$); multiplying coefficients by $n$ raises $K$ to the $n$th power; adding reactions multiplies their $K$ values. Only temperature changes the value of $K$ itself.

    Русский

    $K$ изменяется предсказуемым образом: обращение реакции инвертирует $K$ ($1/K$); умножение коэффициентов на $n$ возводит $K$ в $n$-ю степень; сложение реакций умножает их значения $K$. Только температура меняет само значение $K$.

    7.7

    Calculating Equilibrium Concentrations · ⁨Расчет равновесных концентраций⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.7.A: Identify the concentrations or partial pressures of chemical species at equilibrium based on the initial conditions and the equilibrium constant.

    • 7.7.A.1 The concentrations or partial pressures of species at equilibrium can be predicted given the balanced reaction, initial concentrations, and the appropriate $K$.
    • 7.7.A.2 When $Q < K$, the reaction will proceed with a net consumption of reactants and generation of products. When $Q > K$, the reaction will proceed with a net consumption of products and generation of reactants. When $Q = K$, the system is at dynamic equilibrium; both forward and reverse reactions proceed at the same rate, and the proportion of reactants and products remains constant.
    Русский

    Цель обучения 7.7.A: Определять равновесные концентрации или парциальные давления химических видов на основе начальных условий и константы равновесия.

    • 7.7.A.1 Равновесные концентрации или парциальные давления видов можно предсказать, зная уравнение реакции, начальные концентрации и соответствующую константу равновесия $K$.
    • 7.7.A.2 При $Q < K$ реакция будет протекать с общим потреблением исходных веществ и образованием продуктов. При $Q > K$ реакция будет протекать с общим потреблением продуктов и образованием исходных веществ. При $Q = K$ система находится в динамическом равновесии; прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью, а соотношение исходных веществ и продуктов остается постоянным.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Use an ICE table (Initial, Change, Equilibrium): fill in starting amounts, express the change with $x$ using the mole ratios, then substitute into the $K$ expression and solve for $x$. When $K$ is small, the approximation "$x$ is negligible" often simplifies the algebra.

    Worked example. For $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ with $K_c=50$, start with $0.100\ \text{M}$ each of H$_2$ and I$_2$. The ICE table gives equilibrium $[\text{H}_2]=[\text{I}_2]=0.100-x$ and $[\text{HI}]=2x$. Substitute:

    $$K_c=\frac{(2x)^2}{(0.100-x)^2}=50\;\Rightarrow\;\frac{2x}{0.100-x}=\sqrt{50}=7.07\;\Rightarrow\;x=0.078,$$
    so $[\text{HI}]=2x=0.156\ \text{M}$. Taking the square root of both sides works here because the expression is a perfect square.

    Русский

    Используйте таблицу ICE (Initial, Change, Equilibrium): заполните начальные количества, выразите изменение через $x$, используя мольные соотношения, затем подставьте в выражение для $K$ и решите относительно $x$. Когда $K$ мало, приближение «$x$ можно пренебречь» часто упрощает алгебраические вычисления.

    Разобранный пример. Для $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ с начальным состоянием $K_c=50$, исходно берем по $0.100\ \text{M}$ каждого H$_2$ и I$_2$. Таблица ICE дает равновесные значения $[\text{H}_2]=[\text{I}_2]=0.100-x$ и $[\text{HI}]=2x$. Подставляем:

    $$K_c=\frac{(2x)^2}{(0.100-x)^2}=50\;\Rightarrow\;\frac{2x}{0.100-x}=\sqrt{50}=7.07\;\Rightarrow\;x=0.078,$$
    таким образом $[\text{HI}]=2x=0.156\ \text{M}$. Извлечение квадратного корня из обеих сторон здесь возможно, так как выражение представляет собой полный квадрат.

    7.8

    Representations of Equilibrium · ⁨Представления равновесия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.8.A: Represent a system undergoing a reversible reaction with a particulate model.

    • 7.8.A.1 Particulate representations can be used to describe the relative numbers of reactant and product particles present prior to and at equilibrium, and the value of the equilibrium constant.
    Русский

    Цель обучения 7.8.A: Изобразить систему, находящуюся в обратимой реакции, с помощью микроскопической (частичной) модели.

    • 7.8.A.1 Микроскопические (частичные) представления могут использоваться для описания относительного количества частиц исходных веществ и продуктов, присутствующих до достижения равновесия и в состоянии равновесия, а также значения константы равновесия.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A particulate picture at equilibrium shows a fixed mix of reactant and product particles. Graphs of concentration vs time level off (never reaching zero) once equilibrium is reached – both curves flatten at the same moment.

    Русский

    Частичная схема при равновесии показывает фиксированную смесь частиц реагентов и продуктов. Графики зависимости концентрации от времени выходят на плато (никогда не достигая нуля) после наступления равновесия — обе кривые выравниваются одновременно.

    7.9

    Introduction to Le Chatelier's Principle · ⁨Введение в принцип Ле Шателье⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.9.A: Identify the response of a system at equilibrium to an external stress, using Le Châtelier's principle.

    • 7.9.A.1 Le Châtelier's principle can be used to predict the response of a system to stresses such as addition or removal of a chemical species, change in temperature, change in volume/pressure of a gas-phase system, or dilution of a reaction system.
    • 7.9.A.2 Le Châtelier's principle can be used to predict the effect that a stress will have on experimentally measurable properties such as pH, temperature, and color of a solution.
    Русский

    Цель обучения 7.9.A: Определить реакцию системы на равновесии при внешнем воздействии, используя принцип Ле Шателье.

    • 7.9.A.1 Принцип Ле Шателье можно использовать для прогнозирования реакции системы на воздействия, такие как добавление или удаление химического вещества, изменение температуры, изменение объема/давления газовой фазы или разбавление реакционной смеси.
    • 7.9.A.2 Принцип Ле Шателье можно использовать для прогнозирования влияния внешнего воздействия на экспериментально измеряемые свойства, такие как pH, температура и цвет раствора.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Le Chatelier's principle

    Le Chatelier's principle 勒沙特列原理: if you disturb a system at equilibrium, it shifts to partly counteract the change. Adding a reactant shifts forward; removing product shifts forward; increasing pressure (by reducing volume) shifts toward the side with fewer gas moles; raising temperature shifts in the endothermic direction.

    Русский
    Принцип Ле Шателье

    Принцип Ле Шателье: если нарушить систему в состоянии равновесия, она сместится, чтобы частично компенсировать это изменение. Добавление реагента смещает равновесие вперед; удаление продукта смещает его вперед; повышение давления (за счет уменьшения объема) смещает равновесие в сторону меньшего числа молей газа; повышение температуры смещает равновесие в эндотермическом направлении.

    Принцип Ле Шателье: равновесие смещается в сторону, противодействующую изменению
    Принцип Ле Шателье: равновесие смещается, противодействуя внесенному изменению
    Аммиачная установка: промышленные равновесия, такие как процесс Габера-Боша, регулируются давлением, температурой и катализаторами
    Аммиачная установка: промышленные равновесия, такие как процесс Габера, управляются давлением, температурой и катализаторами
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Disturb an equilibrium · ⁨Нарушение равновесия⁩

    Le Chatelier's principle: an equilibrium shifts to oppose a change. Add reactant, change pressure or temperature and watch the position of equilibrium move. · ⁨Принцип Ле Шателье: равновесие смещается в сторону, противодействующую изменению. Добавьте реагент, измените давление или температуру и наблюдайте сдвиг положения равновесия.⁩

    7.10

    The Reaction Quotient and Le Chatelier's Principle · ⁨Показатель реакции и принцип Ле Шателье⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.10.A: Explain the relationships between $Q$, $K$, and the direction in which a reversible reaction will proceed to reach equilibrium.

    • 7.10.A.1 A disturbance to a system at equilibrium causes $Q$ to differ from $K$, thereby taking the system out of equilibrium. The system responds by bringing $Q$ back into agreement with $K$, thereby establishing a new equilibrium state.
    • 7.10.A.2 Some stresses, such as changes in concentration, cause a change in $Q$ only. A change in temperature causes a change in $K$. In either case, the concentrations or partial pressures of species redistribute to bring $Q$ and $K$ back into equality.
    Русский

    Учебная цель 7.10.A: Объяснить соотношения между $Q$, $K$ и направлением, в котором обратимая реакция будет протекать для достижения равновесия.

    • 7.10.A.1 Воздействие на систему, находящуюся в равновесии, вызывает расхождение между $Q$ и $K$, тем самым выводя систему из равновесия. Система реагирует, возвращая $Q$ в соответствие с $K$, тем самым устанавливая новое состояние равновесия.
    • 7.10.A.2 Некоторые воздействия, такие как изменения концентрации, вызывают изменение только $Q$. Изменение температуры вызывает изменение $K$. В любом случае концентрации или парциальные давления видов перераспределяются для восстановления равенства между $Q$ и $K$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    You can justify every Le Chatelier shift with $Q$ versus $K$: a disturbance changes $Q$, and the system reacts to bring $Q$ back to $K$. This quantitative view backs up the qualitative rule and is the fuller answer on the exam.

    Русский

    Каждое смещение по принципу Ле Шателье можно обосновать сравнением $Q$ и $K$: нарушение изменяет $Q$, и система реагирует, возвращая $Q$ обратно к $K$. Этот количественный подход подтверждает качественное правило и дает более полный ответ на экзамене.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Compare Q with K · ⁨Сравните Q и K⁩

    If the reaction quotient $Q the forward reaction is favoured; $Q>K$ favours the reverse. Perturb the system and watch it move back toward $Q=K$. · ⁨Если константа реакции $Q прямая реакция протекает преимущественно; $Q>K$ favoritizes обратная реакция. Воздействуйте на систему и наблюдайте, как она возвращается к равновесию $Q=K$.⁩

    7.11 7.12

    Introduction to Solubility Equilibria · ⁨Введение в равновесия растворимости⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 7.11.A: Calculate the solubility of a salt based on the value of $K_{sp}$ for the salt.

    • 7.11.A.1 The dissolution of a salt is a reversible process whose extent can be described by $K_{sp}$, the solubility-product constant.
    • 7.11.A.2 The solubility of a substance can be calculated from the $K_{sp}$ for the dissolution process. This relationship can also be used to predict the relative solubility of different substances.
    • 7.11.A.3 The solubility rules (see 4.7.A.5) can be quantitatively related to $K_{sp}$, in which $K_{sp}$ values $>1$ correspond to soluble salts.
    • 7.11.A.4 The molar solubility of one or more species in a saturated solution can be used to calculate the $K_{sp}$ of a substance.
    Русский

    Цель обучения 7.11.A: Вычислять растворимость соли на основе значения $K_{sp}$ для этой соли.

    • 7.11.A.1 Растворение соли является обратимым процессом, степень протекания которого описывается константой произведения растворимости $K_{sp}$.
    • 7.11.A.2 Растворимость вещества может быть рассчитана по значению $K_{sp}$ для процесса растворения. Эту зависимость также можно использовать для прогнозирования относительной растворимости различных веществ.
    • 7.11.A.3 Правила растворимости (см. 4.7.A.5) могут быть количественно связаны со значением $K_{sp}$, при котором значения $K_{sp}$ $>1$ соответствуют растворимым солям.
    • 7.11.A.4 Молярную растворимость одного или нескольких видов в насыщенном растворе можно использовать для расчета константы $K_{sp}$ вещества.
    English

    Learning Objective 7.12.A: Identify the solubility of a salt, and/or the value of $K_{sp}$ for the salt, based on the concentration of a common ion already present in solution.

    • 7.12.A.1 The solubility of a salt is reduced when it is dissolved into a solution that already contains one of the ions present in the salt. The impact of this "common-ion effect" on solubility can be understood qualitatively using Le Châtelier's principle or calculated from the $K_{sp}$ for the dissolution process.
    Русский

    Цель обучения 7.12.A: Определять растворимость соли и/или значение $K_{sp}$ для нее на основе концентрации общего иона, уже присутствующего в растворе.

    • 7.12.A.1 Растворимость соли снижается, если она растворяется в растворе, который уже содержит один из ионов, входящих в состав соли. Влияние этого «эффекта общего иона» на растворимость можно понять качественно с помощью принципа Ле Шателье или рассчитать по значению $K_{sp}$ для процесса растворения.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    For a slightly soluble salt, the solubility product 溶度积 $K_{sp}$ is the equilibrium constant for its dissolving:

    $$\text{M}_a\text{X}_b(s)\rightleftharpoons a\,\text{M}^{b+}+b\,\text{X}^{a-},\qquad K_{sp}=[\text{M}^{b+}]^a[\text{X}^{a-}]^b.$$
    A smaller $K_{sp}$ means less soluble. The common-ion effect – adding an ion already in the salt – pushes the equilibrium back and lowers solubility.

    Worked example. Silver chloride has $K_{sp}=1.8\times10^{-10}$. If its molar solubility is $s$, then $[\text{Ag}^+]=[\text{Cl}^-]=s$, so $K_{sp}=s^2$ and

    $$s=\sqrt{1.8\times10^{-10}}=1.3\times10^{-5}\ \text{M}.$$
    Adding NaCl (a common ion) would raise $[\text{Cl}^-]$, forcing $s$ down – far less AgCl would dissolve.

    Русский

    Для малорастворимой соли произведение растворимости $K_{sp}$ — это константа равновесия её растворения:

    $$\text{M}_a\text{X}_b(s)\rightleftharpoons a\,\text{M}^{b+}+b\,\text{X}^{a-},\qquad K_{sp}=[\text{M}^{b+}]^a[\text{X}^{a-}]^b.$$
    Меньшее значение $K_{sp}$ означает меньшую растворимость. Эффект общего иона — добавление иона, уже присутствующего в соли — смещает равновесие влево и понижает растворимость.

    Разобранный пример. Хлорид серебра имеет $K_{sp}=1.8\times10^{-10}$. Если его молярная растворимость равна $s$, то $[\text{Ag}^+]=[\text{Cl}^-]=s$, следовательно $K_{sp}=s^2$ и

    $$s=\sqrt{1.8\times10^{-10}}=1.3\times10^{-5}\ \text{M}.$$
    Добавление NaCl (общий ион) увеличит $[\text{Cl}^-]$, что приведёт к снижению $s$ – растворится значительно меньше AgCl.

    7.11 7.12

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • At equilibrium the forward and reverse rates are equal, but the amounts are usually not.
    • Leave pure solids and liquids out of the $K$ expression; a large $K$ favours products, a small $K$ favours reactants.
    • Apply Le Chatelier: add reactant → shift forward; raise pressure → shift toward fewer gas moles; raise temperature → shift in the endothermic direction.
    • A catalyst does not shift the position of equilibrium — it only speeds the approach.
    • Use an ICE table for equilibrium concentrations, and the small-$x$ approximation when $K$ is small.
    Русский
    • При равновесии скорости прямой и обратной реакций совпадают, но количества веществ обычно различны.
    • Не включайте чистые твердые вещества и жидкости в выражение для $K$; большое $K$ благоприятствует продуктам, а маленькое $K$ — реагентам.
    • Применяйте принцип Ле Шателье: добавление реагента → сдвиг вправо; повышение давления → сдвиг в сторону меньшего числа молей газа; повышение температуры → сдвиг в эндотермическом направлении.
    • Катализатор не смещает положение равновесия — он лишь ускоряет его достижение.
    • Используйте ICE-таблицу для равновесных концентраций и приближение малого $x$, когда $K$ мало.
  • 8

    Acids and Bases · ⁨Кислоты и основания⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    8.1

    Introduction to Acids and Bases

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.1.A: Calculate the values of $\mathrm{pH}$ and $\mathrm{pOH}$, based on $K_w$ and the concentration of all species present in a neutral solution of water.

    • 8.1.A.1 The concentrations of hydronium ion and hydroxide ion are often reported as $\mathrm{pH}$ and $\mathrm{pOH}$, respectively.
      • Equation: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
      • Equation: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
      • The terms "hydrogen ion" and "hydronium ion" and the symbols $\mathrm{H^+}(aq)$ and $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ are often used interchangeably for the aqueous ion of hydrogen. Hydronium ion and $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ are preferred, but $\mathrm{H^+}(aq)$ is also accepted on the AP Exam.
    • 8.1.A.2 Water autoionizes with an equilibrium constant $K_w$.
      • Equation: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ at 25°C
    • 8.1.A.3 In pure water, $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ is called a neutral solution. At 25°C, $\mathrm{p}K_w = 14.0$ and thus $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$.
      • Equation: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ at 25°C
    • 8.1.A.4 The value of $K_w$ is temperature dependent, so the pH of pure, neutral water will deviate from 7.0 at temperatures other than 25°C.
    Русский

    Цель обучения 8.1.A: Рассчитать значения $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{pOH}$, основываясь на $K_w$ и концентрации всех видов, присутствующих в нейтральном водном растворе.

    • 8.1.A.1 Концентрации гидроксониевого и гидроксид-ионов часто указываются как $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{pOH}$ соответственно.
      • Уравнение: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
      • Уравнение: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
      • Термины «водородный ион» и «гидроксониевый ион», а также символы $\mathrm{H^+}(aq)$ и $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ часто используются взаимозаменяемо для обозначения водного иона водорода. Предпочтительными являются гидроксониевый ион и $\mathrm{H_3O^+}(aq)$, но на экзамене AP также принимается $\mathrm{H^+}(aq)$.
    • 8.1.A.2 Вода самоионизируется с константой равновесия $K_w$.
      • Уравнение: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ при 25°C
    • 8.1.A.3 В чистой воде $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ называется нейтральным раствором. При 25°C $\mathrm{p}K_w = 14.0$, а следовательно, $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$.
      • Уравнение: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ при 25°C
    • 8.1.A.4 Значение $K_w$ зависит от температуры, поэтому pH чистой нейтральной воды будет отклоняться от 7.0 при температурах, отличных от 25°C.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    acid/ˈæsɪd/ кислотный
    base/beɪs/ основанием
    conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/ сопряженного основания
    conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/ сопряженная кислота
    8.1

    The Autoionization of Water

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.1.A: Calculate the values of $\mathrm{pH}$ and $\mathrm{pOH}$, based on $K_w$ and the concentration of all species present in a neutral solution of water.

    • 8.1.A.1 The concentrations of hydronium ion and hydroxide ion are often reported as $\mathrm{pH}$ and $\mathrm{pOH}$, respectively.
      • Equation: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
      • Equation: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
      • The terms "hydrogen ion" and "hydronium ion" and the symbols $\mathrm{H^+}(aq)$ and $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ are often used interchangeably for the aqueous ion of hydrogen. Hydronium ion and $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ are preferred, but $\mathrm{H^+}(aq)$ is also accepted on the AP Exam.
    • 8.1.A.2 Water autoionizes with an equilibrium constant $K_w$.
      • Equation: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ at 25°C
    • 8.1.A.3 In pure water, $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ is called a neutral solution. At 25°C, $\mathrm{p}K_w = 14.0$ and thus $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$.
      • Equation: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ at 25°C
    • 8.1.A.4 The value of $K_w$ is temperature dependent, so the pH of pure, neutral water will deviate from 7.0 at temperatures other than 25°C.
    Русский

    Цель обучения 8.1.A: Рассчитать значения $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{pOH}$, основываясь на $K_w$ и концентрации всех видов, присутствующих в нейтральном водном растворе.

    • 8.1.A.1 Концентрации гидроксониевого и гидроксид-ионов часто указываются как $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{pOH}$ соответственно.
      • Уравнение: $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$
      • Уравнение: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$
      • Термины «водородный ион» и «гидроксониевый ион», а также символы $\mathrm{H^+}(aq)$ и $\mathrm{H_3O^+}(aq)$ часто используются взаимозаменяемо для обозначения водного иона водорода. Предпочтительными являются гидроксониевый ион и $\mathrm{H_3O^+}(aq)$, но на экзамене AP также принимается $\mathrm{H^+}(aq)$.
    • 8.1.A.2 Вода самоионизируется с константой равновесия $K_w$.
      • Уравнение: $K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}$ при 25°C
    • 8.1.A.3 В чистой воде $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH}$ называется нейтральным раствором. При 25°C $\mathrm{p}K_w = 14.0$, а следовательно, $\mathrm{pH} = \mathrm{pOH} = 7.0$.
      • Уравнение: $\mathrm{p}K_w = 14 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$ при 25°C
    • 8.1.A.4 Значение $K_w$ зависит от температуры, поэтому pH чистой нейтральной воды будет отклоняться от 7.0 при температурах, отличных от 25°C.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    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-
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    autoionization/ˌɔːtəʊˌaɪənaɪˈzeɪʃn/ автоионизация
    hydronium ion/haɪˈdrəʊnɪəm ˈaɪɒn/ гидроксоний-ион
    ion-product constant of water/ˈaɪɒn ˈprɒdʌkt ˈkɒnstənt ɒv ˈwɔːtə/ ионное произведение воды
    neutral/ˈnjuːtrəl/ нейтральный
    8.2

    pH and pOH of Strong Acids and Bases

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.2.A: Calculate $\mathrm{pH}$ and $\mathrm{pOH}$ based on concentrations of all species in a solution of a strong acid or a strong base.

    • 8.2.A.1 Molecules of a strong acid (e.g., $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{HI}$, $\mathrm{HClO_4}$, $\mathrm{H_2SO_4}$, and $\mathrm{HNO_3}$) will completely ionize in aqueous solution to produce hydronium ions and the conjugate base of the acid. As such, the concentration of $\mathrm{H_3O^+}$ in a strong acid solution is equal to the initial concentration of the strong acid, and thus the $\mathrm{pH}$ of the strong acid solution is easily calculated.
    • 8.2.A.2 When dissolved in solution, strong bases (e.g., group I and II hydroxides) completely dissociate to produce hydroxide ions. As such, the concentration of $\mathrm{OH^-}$ in a strong base solution is equal to the initial concentration of a group I hydroxide and double the initial concentration of a group II hydroxide, and thus the $\mathrm{pOH}$ (and $\mathrm{pH}$) of the strong base solution is easily calculated.
    Русский

    Цель обучения 8.2.A: Рассчитать $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{pOH}$, основываясь на концентрациях всех видов в растворе сильной кислоты или сильного основания.

    • 8.2.A.1 Молекулы сильной кислоты (например, $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{HI}$, $\mathrm{HClO_4}$, $\mathrm{H_2SO_4}$ и $\mathrm{HNO_3}$) полностью ионизируются в водном растворе, образуя гидроксониевые ионы и сопряженное основание кислоты. Таким образом, концентрация $\mathrm{H_3O^+}$ в растворе сильной кислоты равна начальной концентрации сильной кислоты, и поэтому $\mathrm{pH}$ раствора сильной кислоты легко вычислить.
    • 8.2.A.2 При растворении в растворе сильные основания (например, гидроксиды I и II групп) полностью диссоциируют, образуя гидроксид-ионы. Таким образом, концентрация $\mathrm{OH^-}$ в растворе сильного основания равна начальной концентрации гидроксида I группы и удвоенной начальной концентрации гидроксида II группы, и поэтому $\mathrm{pOH}$ (а также $\mathrm{pH}$) раствора сильного основания легко вычислить.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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 or strong base 强碱 dissociates completely, so its ion concentration equals its concentration – read pH directly. 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 $\text{pH}=14-2.0=12.0$.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Move along the pH scale · ⁨Движение по шкале pH⁩

    pH measures hydrogen-ion concentration on a log scale: each unit is a tenfold change. Strong acids sit low, strong bases high, 7 is neutral. · ⁨pH измеряет концентрацию ионов водорода по логарифмической шкале: каждая единица — это десятикратное изменение. Сильные кислоты имеют низкий pH, сильные основания — высокий, 7 — нейтральное значение.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    pH/piː eɪtʃ/ pH
    strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ сильной кислоты
    strong base/strɒŋ beɪs/ сильное основание
    8.3

    Weak Acid and Base Equilibria

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    8.3.A
    Explain the relationship among $\mathrm{pH}$, $\mathrm{pOH}$, and concentrations of all species in a solution of a monoprotic weak acid or weak base.

    • 8.3.A.1 Weak acids react with water to produce hydronium ions. However, only a small percentage of molecules of a weak acid will ionize in this way. Thus, the concentration of $\mathrm{H_3O^+}$ is much less than the initial concentration of the molecular acid, and the vast majority of the acid molecules remain un-ionized.
    • 8.3.A.2 A solution of a weak acid involves equilibrium between an un-ionized acid and its conjugate base. The equilibrium constant for this reaction is $K_a$, often reported as $\mathrm{p}K_a$. The pH of a weak acid solution can be determined from the initial acid concentration and the $\mathrm{p}K_a$.
      • Equation: $K_a = \dfrac{[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$
      • Equation: $\mathrm{p}K_a = -\log K_a$
    • 8.3.A.3 Weak bases react with water to produce hydroxide ions in solution. However, ordinarily just a small percentage of the molecules of a weak base in solution will ionize in this way. Thus, the concentration of $\mathrm{OH^-}$ in the solution does not equal the initial concentration of the base, and the vast majority of the base molecules remain un-ionized.
    • 8.3.A.4 A solution of a weak base involves equilibrium between an un-ionized base and its conjugate acid. The equilibrium constant for this reaction is $K_b$, often reported as $\mathrm{p}K_b$. The $\mathrm{pH}$ of a weak base solution can be determined from the initial base concentration and the $\mathrm{p}K_b$.
      • Equation: $K_b = \dfrac{[\mathrm{OH^-}][\mathrm{HB^+}]}{[\mathrm{B}]}$
      • Equation: $\mathrm{p}K_b = -\log K_b$
    • 8.3.A.5 The percent ionization of a weak acid (or base) can be calculated from its $\mathrm{p}K_a$ ($\mathrm{p}K_b$) and the initial concentration of the acid (base). The percent ionization can also be calculated from the initial concentration of the acid (base) and the equilibrium concentration of any of the species in the equilibrium expression.
    • 8.3.A.6 For any conjugate acid-base pair, the acid ionization constant and base ionization constant are related by $K_w$:
      • Equation: $K_w = K_a \times K_b$
      • Equation: $\mathrm{p}K_w = \mathrm{p}K_a + \mathrm{p}K_b$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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. Because dissociation is small, find $[\text{H}^+]$ with an ICE table and the $K_a$ expression, often using the small-$x$ approximation.

    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 $1.0$).

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    weak acid/wiːk ˈæsɪd/ слабой кислоты
    8.4

    Acid-Base Reactions and Buffers

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.4.A: Explain the relationship among the concentrations of major species in a mixture of weak and strong acids and bases.

    • 8.4.A.1 When a strong acid and a strong base are mixed, they react quantitatively in a reaction represented by the equation: $\mathrm{H^+}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightarrow \mathrm{H_2O}(l)$. The pH of the resulting solution may be determined from the concentration of excess reagent.
    • 8.4.A.2 When a weak acid and a strong base are mixed, they react quantitatively in a reaction represented by the equation: $\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq)\ \mathrm{H_2O}(l)$. If the weak acid is in excess, then a buffer solution is formed, and the $\mathrm{pH}$ can be determined from the Henderson-Hasselbalch (H–H) equation (see 8.9.A.1). If the strong base is in excess, then the $\mathrm{pH}$ can be determined from the moles of excess hydroxide ion and the total volume of solution. If they are equimolar, then the (slightly basic) $\mathrm{pH}$ can be determined from the equilibrium represented by the equation: $\mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq)$.
    • 8.4.A.3 When a weak base and a strong acid are mixed, they will react quantitatively in a reaction represented by the equation: $\mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq) \rightleftarrows \mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l)$. If the weak base is in excess, then a buffer solution is formed, and the $\mathrm{pH}$ can be determined from the H–H equation. If the strong acid is in excess, then the $\mathrm{pH}$ can be determined from the moles of excess hydronium ion and the total volume of solution. If they are equimolar, then the (slightly acidic) $\mathrm{pH}$ can be determined from the equilibrium represented by the equation: $\mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq)$.
    • 8.4.A.4 When a weak acid and a weak base are mixed, they will react to an equilibrium state whose reaction may be represented by the equation: $\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{B}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{HB^+}(aq)$.
    Русский

    Цель обучения 8.4.A: Объяснить соотношение между концентрациями основных видов в смеси слабых и сильных кислот и оснований.

    • 8.4.A.1 При смешивании сильной кислоты и сильного основания они количественно реагируют согласно уравнению: $\mathrm{H^+}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightarrow \mathrm{H_2O}(l)$. pH полученного раствора может быть определён по концентрации избытка реагента.
    • 8.4.A.2 При смешивании слабой кислоты и сильного основания они количественно реагируют согласно уравнению: $\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq)\ \mathrm{H_2O}(l)$. Если слабая кислота находится в избытке, то образуется буферный раствор, и $\mathrm{pH}$ определяется по уравнению Гендерсона-Гассельбальха (H–H) (см. 8.9.A.1). Если сильное основание находится в избытке, то $\mathrm{pH}$ определяется по количеству моль избытка гидроксид-ионов и общему объёму раствора. Если их количества эквивалентны, то (слабощелочная) $\mathrm{pH}$ определяется из равновесия, представленного уравнением: $\mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{HA}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq)$.
    • 8.4.A.3 При смешивании слабой основы и сильной кислоты они количественно реагируют согласно уравнению: $\mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq) \rightleftarrows \mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l)$. Если слабая основа находится в избытке, то образуется буферный раствор, и $\mathrm{pH}$ определяется по уравнению H–H. Если сильная кислота находится в избытке, то $\mathrm{pH}$ определяется по количеству моль избытка гидроксониевых ионов и общему объёму раствора. Если их количества эквивалентны, то (слабокислая) $\mathrm{pH}$ определяется из равновесия, представленного уравнением: $\mathrm{HB^+}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftarrows \mathrm{B}(aq) + \mathrm{H_3O^+}(aq)$.
    • 8.4.A.4 При смешивании слабой кислоты и слабой основы они реагируют до состояния равновесия, которое может быть представлено уравнением: $\mathrm{HA}(aq) + \mathrm{B}(aq) \rightleftarrows \mathrm{A^-}(aq) + \mathrm{HB^+}(aq)$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    buffer/ˈbʌfə/ буферного
    8.5

    Acid-Base Titrations

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.5.A: Explain results from the titration of a mono- or polyprotic acid or base solution, in relation to the properties of the solution and its components.

    • 8.5.A.1 An acid-base reaction can be carried out under controlled conditions in a titration. A titration curve, plotting $\mathrm{pH}$ against the volume of titrant added, is useful for summarizing results from a titration.
    • 8.5.A.2 At the equivalence point for titrations of monoprotic acids or bases, the number of moles of titrant added is equal to the number of moles of analyte originally present. This relationship can be used to obtain the concentration of the analyte. This is the case for titrations of strong acids/bases and weak acids/bases.
    • 8.5.A.3 For titrations of weak acids/bases, it is useful to consider the point halfway to the equivalence point, that is, the half-equivalence point. At this point, there are equal concentrations of each species in the conjugate acid-base pair, for example, for a weak acid $[\mathrm{HA}] = [\mathrm{A^-}]$. Because $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$ when the conjugate acid and base have equal concentrations, the $\mathrm{p}K_a$ can be determined from the $\mathrm{pH}$ at the half-equivalence point in a titration.
    • 8.5.A.4 At the equivalence point, pH is determined by the major species in solution. Strong acid and strong base titrations result in neutral pH at the equivalence point. However, in titrations of weak acids (weak bases), the conjugate base of the weak acid (conjugate acid of the weak base) is present at the equivalence point and can undergo proton-transfer reactions with the surrounding water, producing basic (acidic) solutions.
    • 8.5.A.5 For polyprotic acids, titration curves can be used to determine the number of acidic protons. In doing so, the major species present at any point along the curve can be identified, along with the $\mathrm{p}K_a$ associated with each proton in a weak polyprotic acid.
      • Exclusion statement: Computation of the concentration of each species present in the titration curve for polyprotic acids will not be assessed on the AP Exam. Such computations for titration of monoprotic acids are within the scope of the course (see 8.4.A.2 and 8.4.A.3), as is qualitative reasoning regarding what species are present in large versus small concentrations at any point in a titration of a polyprotic acid.
    Русский

    Цель обучения 8.5.A: Интерпретировать результаты титрования одно- или многокислотного (многоосновного) раствора в зависимости от свойств раствора и его компонентов.

    • 8.5.A.1 Кислотно-основную реакцию можно проводить в контролируемых условиях при титровании. График титрования, отображающий $\mathrm{pH}$ в зависимости от объёма добавленного титранта, полезен для обобщения результатов титрования.
    • 8.5.A.2 В точке эквивалентности при титровании одноосновных или однокислотных растворов количество молей добавленного титранта равно количеству молей исходного аналита. Это соотношение используется для определения концентрации аналита. Это справедливо как для титрования сильных кислот/оснований, так и для титрования слабых кислот/оснований.
    • 8.5.A.3 При титровании слабых кислот/оснований удобно рассмотреть точку, расположенную на полпути к точке эквивалентности, то есть точку полуэквивалентности. В этот момент концентрации каждого вида сопряжённой пары кислота-основа равны, например, для слабой кислоты $[\mathrm{HA}] = [\mathrm{A^-}]$. Поскольку $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$ когда концентрации сопряжённой кислоты и основания равны, константу ионизации $\mathrm{p}K_a$ можно определить по значению $\mathrm{pH}$ в точке полуэквивалентности при титровании.
    • 8.5.A.4 В точке эквивалентности pH определяется основными видами в растворе. Титрование сильной кислоты сильным основанием даёт нейтральный pH в точке эквивалентности. Однако при титровании слабых кислот (слабых оснований) в точке эквивалентности присутствует сопряжённое основание слабой кислоты (сопряжённая кислота слабого основания), которое может участвовать в реакциях переноса протонов с окружающей водой, образуя щелочные (кислые) растворы.
    • 8.5.A.5 Для многокислотных растворов графики титрования позволяют определить количество кислотных протонов. При этом можно определить основные виды, присутствующие в любой точке графика, а также константы $\mathrm{p}K_a$, соответствующие каждому протону в слабой многокислоте.
      • Условие исключения: Вычисление концентраций всех видов, присутствующих в графике титрования для многокислот, не будет оцениваться на экзамене AP. Такие вычисления для титрования одноосновных кислот входят в курс (см. 8.4.A.2 и 8.4.A.3), как и качественное рассуждение о том, какие виды присутствуют в больших или малых концентрациях в любой точке титрования многокислоты.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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 (moles of acid = moles of base – a steep jump), and 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
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Titrate to the equivalence point · ⁨Титрование до точки эквивалентности⁩

    A titration curve rises gently, then sharply at the equivalence point where moles of acid and base match. The steep jump pinpoints that volume. · ⁨Кривая титрования плавно поднимается, затем резко скачком в точке эквивалентности, где количества вещества кислоты и щелочи совпадают. Крутой скачок точно определяет этот объём.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ кривая титрования
    equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/ эквивалентная точка
    acid-base indicator/ˈæsɪd beɪs ˈɪndɪkeɪtə/ кислотно-основной индикатор
    8.6

    Molecular Structure of Acids and Bases

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.6.A: Explain the relationship between the strength of an acid or base and the structure of the molecule or ion.

    • 8.6.A.1 The protons on a molecule that will participate in acid-base reactions, and the relative strength of these protons, can be inferred from the molecular structure.
      • i. Strong acids (such as $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{HI}$, $\mathrm{HClO_4}$, $\mathrm{H_2SO_4}$, and $\mathrm{HNO_3}$) have very weak conjugate bases that are stabilized by electronegativity, inductive effects, resonance, or some combination thereof.
      • ii. Carboxylic acids are one common class of weak acid.
      • iii. Strong bases (such as group I and II hydroxides) have very weak conjugate acids.
      • iv. Common weak bases include nitrogenous bases such as ammonia as well as carboxylate ions.
      • v. Electronegative elements tend to stabilize the conjugate base relative to the conjugate acid, and so increase acid strength.
    Русский

    Цель обучения 8.6.A: Объяснить связь между силой кислоты или основания и структурой молекулы или иона.

    • 8.6.A.1 Протоны в молекуле, участвующие в кислотно-основных реакциях, и их относительную силу можно определить по молекулярной структуре.
      • i. Сильные кислоты (такие как $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{HI}$, $\mathrm{HClO_4}$, $\mathrm{H_2SO_4}$ и $\mathrm{HNO_3}$) имеют очень слабые сопряжённые основания, которые стабилизируются электроотрицательностью, индуктивным эффектом, резонансом или их сочетанием.
      • ii. Карбоновые кислоты являются одним из распространённых классов слабых кислот.
      • iii. Сильные основания (такие как гидроксиды элементов I и II групп) имеют очень слабые сопряжённые кислоты.
      • iv. Распространёнными слабыми основаниями являются азотсодержащие основания, такие как аммиак, а также карбоксилат-ионы.
      • v. Электроотрицательные элементы склонны стабилизировать сопряженное основание по сравнению с сопряженной кислотой, тем самым увеличивая кислотную силу.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    8.7

    pH and pKa

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.7.A: Explain the relationship between the predominant form of a weak acid or base in solution at a given $\mathrm{pH}$ and the $\mathrm{p}K_a$ of the conjugate acid or the $\mathrm{p}K_b$ of the conjugate base.

    • 8.7.A.1 The protonation state of an acid or base (i.e., the relative concentrations of $\mathrm{HA}$ and $\mathrm{A^-}$) can be predicted by comparing the $\mathrm{pH}$ of a solution to the $\mathrm{p}K_a$ of the acid in that solution. When solution $\mathrm{pH} < \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$, the acid form has a higher concentration than the base form. When solution $\mathrm{pH} > \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$, the base form has a higher concentration than the acid form.
    • 8.7.A.2 Acid-base indicators are substances that exhibit different properties (such as color) in their protonated versus deprotonated state, making that property respond to the $\mathrm{pH}$ of a solution.
    • 8.7.A.3 To ensure accurate results in a titration experiment, acid-base indicators should be selected that have a $\mathrm{p}K_a$ close to the $\mathrm{pH}$ at the equivalence point.
    Русский

    Цель обучения 8.7.A: Объяснить связь между преобладающей формой слабой кислоты или основания в растворе при заданном $\mathrm{pH}$ и $\mathrm{p}K_a$ сопряженной кислоты или $\mathrm{p}K_b$ сопряженного основания.

    • 8.7.A.1 Протонированное состояние кислоты или основания (т.е. относительные концентрации $\mathrm{HA}$ и $\mathrm{A^-}$) можно предсказать, сравнив $\mathrm{pH}$ раствора со $\mathrm{p}K_a$ кислоты в этом растворе. Когда $\mathrm{pH} < \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$ раствора, концентрация кислотной формы выше, чем основной. Когда $\mathrm{pH} > \mathrm{acid}\ \mathrm{p}K_a$ раствора, концентрация основной формы выше, чем кислотная.
    • 8.7.A.2 Кислотно-основные индикаторы — это вещества, которые проявляют различные свойства (например, цвет) в протонированном и депротонированном состояниях, благодаря чему данное свойство реагирует на $\mathrm{pH}$ раствора.
    • 8.7.A.3 Для получения точных результатов в титровании следует выбирать кислотно-основные индикаторы, у которых $\mathrm{p}K_a$ близко к $\mathrm{pH}$ в точке эквивалентности.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    $\text{p}K_a=-\log K_a$: 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.

    8.8

    Properties of Buffers

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.8.A: Explain the relationship between the ability of a buffer to stabilize $\mathrm{pH}$ and the reactions that occur when an acid or a base is added to a buffered solution.

    • 8.8.A.1 A buffer solution contains a large concentration of both members in a conjugate acid-base pair. The conjugate acid reacts with added base and the conjugate base reacts with added acid. These reactions are responsible for the ability of a buffer to stabilize $\mathrm{pH}$.
    Русский

    Цель обучения 8.8.A: Объяснить связь между способностью буфера стабилизировать $\mathrm{pH}$ и реакциями,发生的 when an acid or a base is added to a buffered solution.

    • 8.8.A.1 Буферный раствор содержит высокую концентрацию обоих компонентов сопряженной кислотно-основной пары. Сопряженная кислота реагирует с добавленным основанием, а сопряженное основание реагирует с добавленной кислотой. Эти реакции обеспечивают способность буфера стабилизировать $\mathrm{pH}$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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
    8.9

    The Henderson-Hasselbalch Equation

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.9.A: Identify the $\mathrm{pH}$ of a buffer solution based on the identity and concentrations of the conjugate acid-base pair used to create the buffer.

    • 8.9.A.1 The $\mathrm{pH}$ of the buffer is related to the $\mathrm{p}K_a$ of the acid and the concentration ratio of the conjugate acid-base pair. This relation is a consequence of the equilibrium expression associated with the dissociation of a weak acid, and is described by the Henderson-Hasselbalch equation. Adding small amounts of acid or base to a buffered solution does not significantly change the ratio of $[\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ and thus does not significantly change the solution $\mathrm{pH}$. The change in $\mathrm{pH}$ on addition of acid or base to a buffered solution is therefore much less than it would have been in the absence of the buffer.
      • Equation: $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$
      • Exclusion statement: Computation of the change in pH resulting from the addition of an acid or a base to a buffer will not be assessed on the AP Exam.
      • Exclusion statement: Derivation of the Henderson-Hasselbalch equation will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 8.9.A: Определить $\mathrm{pH}$ буферного раствора на основе природы и концентраций используемой для его приготовления сопряженной кислотно-основной пары.

    • 8.9.A.1 $\mathrm{pH}$ буфера связано со $\mathrm{p}K_a$ кислоты и соотношением концентраций сопряженной кислотно-основной пары. Эта зависимость является следствием выражения равновесия, связанного с диссоциацией слабой кислоты, и описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха. Добавление небольших количеств кислоты или основания к буферному раствору не изменяет существенно соотношение $[\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ и, следовательно, не изменяет существенно $\mathrm{pH}$ раствора. Изменение $\mathrm{pH}$ при добавлении кислоты или основания к буферному раствору поэтому значительно меньше, чем оно было бы в отсутствие буфера.
      • Уравнение: $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$
      • Исключение: Вычисление изменения pH, вызванного добавлением кислоты или основания к буферу, не будет проверяться на экзамене AP.
      • Исключение: Вывод уравнения Гендерсона-Гассельбаха не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    8.10

    Buffer Capacity

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.10.A: Explain the relationship between the buffer capacity of a solution and the relative concentrations of the conjugate acid and conjugate base components of the solution.

    • 8.10.A.1 Increasing the concentration of the buffer components (while keeping the ratio of these concentrations constant) keeps the $\mathrm{pH}$ of the buffer the same but increases the capacity of the buffer to neutralize added acid or base.
    • 8.10.A.2 When a buffer has more conjugate acid than base, it has a greater buffer capacity for addition of added base than acid. When a buffer has more conjugate base than acid, it has a greater buffer capacity for addition of added acid than base.
    Русский

    Цель обучения 8.10.A: Объяснить связь между буферной емкостью раствора и относительными концентрациями компонентов conjugate acid и conjugate base в растворе.

    • 8.10.A.1 Увеличение концентрации компонентов буфера (при сохранении постоянного соотношения этих концентраций) сохраняет прежнее значение $\mathrm{pH}$ буфера, но увеличивает его способность нейтрализовать добавленную кислоту или основание.
    • 8.10.A.2 Если в буфере больше conjugate acid, чем conjugate base, то он обладает большей буферной емкостью по отношению к добавлению основания, чем кислоты. Если в буфере больше conjugate base, чем conjugate acid, то он обладает большей буферной емкостью по отношению к добавлению кислоты, чем основания.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Buffer capacity/ˈbʌfə kəˈpæsɪti/ буферная емкость
    8.11

    pH and Solubility

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 8.11.A: Identify the qualitative effect of changes in pH on the solubility of a salt.

    • 8.11.A.1 The solubility of a salt is pH sensitive when one of the constituent ions is a weak acid, a weak base, or the hydroxide ion. These effects can be understood qualitatively using Le Châtelier's principle.
      • Exclusion statement: Computations of solubility as a function of pH will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 8.11.A: Определить качественное влияние изменений pH на растворимость соли.

    • 8.11.A.1 Растворимость соли зависит от pH, если одним из составляющих ионов является слабая кислота, слабое основание или гидроксид-ион. Эти эффекты можно объяснить качественно с помощью принципа Ле Шателье.
      • Исключение из программы: Вычисление растворимости в зависимости от pH не будет оцениваться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    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.

    8.11

    Exam tips

    • 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 $[\text{H}^+]$.
    • A strong acid/base dissociates completely (so $[\text{H}^+]$ = concentration); a weak one only partly, needing $K_a$.
    • A buffer contains a weak acid and its conjugate base together; it resists pH change by mopping up added acid or base.
    • On a titration curve the equivalence point is the steep jump; the half-equivalence point has $\text{pH}=\text{p}K_a$.
    • A smaller $\text{p}K_a$ means a stronger acid.
  • 9

    Thermodynamics and Electrochemistry · ⁨Термодинамика и электрохимия⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.1

    Introduction to Entropy · ⁨Введение в энтропию⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.1.A: Identify the sign and relative magnitude of the entropy change associated with chemical or physical processes.

    • 9.1.A.1 Entropy increases when matter becomes more dispersed. For example, the phase change from solid to liquid or from liquid to gas results in a dispersal of matter as the individual particles become freer to move and generally occupy a larger volume. Similarly, for a gas, the entropy increases when there is an increase in volume (at constant temperature), and the gas molecules are able to move within a larger space. For reactions involving gas-phase reactants or products, the entropy generally increases when the total number of moles of gas-phase products is greater than the total number of moles of gas-phase reactants.
    • 9.1.A.2 Entropy increases when energy is dispersed. According to kinetic molecular theory (KMT), the distribution of kinetic energy among the particles of a gas broadens as the temperature increases. As a result, the entropy of the system increases with an increase in temperature.
    Русский

    Цель обучения 9.1.A: Определять знак и относительную величину изменения энтропии, связанного с химическими или физическими процессами.

    • 9.1.A.1 Энтропия увеличивается, когда материя становится более рассеянной. Например, фазовый переход из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газообразное приводит к рассеянию материи, поскольку отдельные частицы становятся свободнее в движении и, как правило, занимают больший объем. Аналогично, для газа энтропия увеличивается при увеличении объема (при постоянной температуре), и молекулы газа могут перемещаться в большем пространстве. Для реакций с участием газообразных реагентов или продуктов энтропия обычно увеличивается, когда общее количество молей газообразных продуктов больше общего количества молей газообразных реагентов.
    • 9.1.A.2 Энтропия увеличивается при рассеянии энергии. Согласно кинетической молекулярной теории (КМТ), распределение кинетической энергии между частицами газа расширяется по мере повышения температуры. В результате энтропия системы увеличивается с повышением температуры.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Entropy 熵 $S$ measures the dispersal of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy increases when a substance goes solid → liquid → gas, when a solid dissolves, when gas moles increase, or when temperature rises. More disorder means higher entropy.

    Русский
    Бытовые батарейки: электрохимические ячейки преобразуют химическую свободную энергию в электрическую работу
    Бытовые батарейки: электрохимические ячейки преобразуют химическую свободную энергию в электрическую работу

    Энтропия $S$ измеряет рассеяние энергии и материи — грубо говоря, количество способов упорядочить систему. Энтропия увеличивается, когда вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое, затем в газообразное, при растворении твёрдого вещества, при увеличении числа молей газа или повышении температуры. Больший беспорядок означает более высокую энтропию.

    Энтропия возрастает при переходе от твердого вещества к жидкости и далее к газу
    Энтропия возрастает от твердого вещества к жидкости и газу
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Entropy/ˈentrəpi/ Энтропия
    Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ Энергия Гиббса
    thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/ термодинамически выгодный
    galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/ гальванический (вольт) элемент
    9.2

    Absolute Entropy and Entropy Change · ⁨Абсолютная энтропия и изменение энтропии⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.2.A: Calculate the standard entropy change for a chemical or physical process based on the absolute entropies (standard molar entropies) of the species involved in the process.

    • 9.2.A.1 The entropy change for a process can be calculated from the absolute entropies of the species involved before and after the process occurs.
      • Equation: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$
    Русский

    Цель обучения 9.2.A: Вычислить стандартное изменение энтропии для химического или физического процесса на основе абсолютных энтропий (стандартных молярных энтропий) участвующих в нем видов.

    • 9.2.A.1 Изменение энтропии для процесса можно рассчитать по абсолютным энтропиям участвующих в нем видов до и после发生的процесса.
      • Уравнение: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Every substance has a positive absolute entropy $S^\circ$. For a reaction,

    $$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
    Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

    Русский

    У каждого вещества есть положительная абсолютная энтропия $S^\circ$. Для реакции,

    $$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
    Предскажите её знак по изменению числа молей газа: образование большего количества газа повышает энтропию ($\Delta S>0$).

    9.3

    Gibbs Free Energy and Thermodynamic Favorability · ⁨Свободная энергия Гиббса и термодинамическая выгодность⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.3.A: Explain whether a physical or chemical process is thermodynamically favored based on an evaluation of $\Delta G^{\circ}$.

    • 9.3.A.1 The Gibbs free energy change for a chemical process in which all the reactants and products are present in a standard state (as pure substances, as solutions of 1.0 M concentration, or as gases at a pressure of 1.0 atm (or 1.0 bar)) is given the symbol $\Delta G^{\circ}$.

    • 9.3.A.2 The standard Gibbs free energy change for a chemical or physical process is a measure of thermodynamic favorability. Historically, the term "spontaneous" has been used to describe processes for which $\Delta G^{\circ} < 0$. The phrase "thermodynamically favored" is preferred instead so that common misunderstandings (equating "spontaneous" with "suddenly" or "without cause") can be avoided. When $\Delta G^{\circ} < 0$ for the process, it is said to be thermodynamically favored.

    • 9.3.A.3 The standard Gibbs free energy change for a physical or chemical process may also be determined from the standard Gibbs free energy of formation of the reactants and products.

      • Equation: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
    • 9.3.A.4 In some cases, it is necessary to consider both enthalpy and entropy to determine if a process will be thermodynamically favored. The freezing of water and the dissolution of sodium nitrate are examples of such phenomena.

    • 9.3.A.5 Knowing the values of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ for a process at a given temperature allows $\Delta G^{\circ}$ to be calculated directly.

      • Equation: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
    • 9.3.A.6 In general, the temperature conditions for a process to be thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$) can be predicted from the signs of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ as shown in the table below:

      $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Symbols $\Delta G^{\circ} < 0$, favored at:
      $< 0$ $> 0$ $<\ >$ all $T$
      $> 0$ $< 0$ $>\ <$ no $T$
      $> 0$ $> 0$ $>\ >$ high $T$
      $< 0$ $< 0$ $<\ <$ low $T$

      In cases where $\Delta H^{\circ} < 0$ and $\Delta S^{\circ} > 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). In cases where $\Delta H^{\circ} > 0$ and $\Delta S^{\circ} < 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

    Русский

    Цель обучения 9.3.A: Объяснить, является ли физический или химический процесс термодинамически выгодным, на основе оценки $\Delta G^{\circ}$.

    • 9.3.A.1 Изменение свободной энергии Гиббса для химического процесса, в котором все реагенты и продукты находятся в стандартном состоянии (как чистые вещества, как растворы с концентрацией 1.0 М или как газы при давлении 1.0 атм (или 1.0 бар)), обозначается символом $\Delta G^{\circ}$.

    • 9.3.A.2 Стандартное изменение свободной энергии Гиббса для химического или физического процесса является мерой термодинамической выгодности. Исторически термин «спонтанный» использовался для описания процессов, для которых $\Delta G^{\circ} < 0$. Вместо этого предпочтительнее использовать фразу «термодинамически выгодный», чтобы избежать распространенных заблуждений (отождествления «спонтанного» с «внезапным» или «без причины»). Когда $\Delta G^{\circ} < 0$ для процесса, считается, что он термодинамически выгоден.

    • 9.3.A.3 Стандартное изменение свободной энергии Гиббса для физического или химического процесса также может быть определено на основе стандартных свободных энергий образования реагентов и продуктов.

      • Уравнение: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
    • 9.3.A.4 В некоторых случаях необходимо учитывать как энтальпию, так и энтропию, чтобы определить, будет ли процесс термодинамически выгодным. Замерзание воды и растворение нитрата натрия являются примерами таких явлений.

    • 9.3.A.5 Знание значений $\Delta H^{\circ}$ и $\Delta S^{\circ}$ для процесса при заданной температуре позволяет напрямую рассчитать $\Delta G^{\circ}$.

      • Уравнение: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
    • 9.3.A.6 В целом температурные условия, при которых процесс является термодинамически выгодным ($\Delta G^{\circ} < 0$), можно предсказать по знакам $\Delta H^{\circ}$ и $\Delta S^{\circ}$, как показано в таблице ниже:

      $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Символы $\Delta G^{\circ} < 0$, выгоден при:
      $< 0$ $> 0$ $<\ >$ всех $T$
      $> 0$ $< 0$ $>\ <$ нет $T$
      $> 0$ $> 0$ $>\ >$ высоких $T$
      $< 0$ $< 0$ $<\ <$ низких $T$

      В случаях, когда $\Delta H^{\circ} < 0$ и $\Delta S^{\circ} > 0$, вычисление $\Delta G^{\circ}$ не требуется для определения того, что процесс термодинамически выгоден ($\Delta G^{\circ} < 0$). В случаях, когда $\Delta H^{\circ} > 0$ и $\Delta S^{\circ} < 0$, вычисление $\Delta G^{\circ}$ не требуется для определения того, что процесс термодинамически невыгоден ($\Delta G^{\circ} > 0$).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

    $$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
    A process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

    Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

    $$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

    Русский

    Свободная энергия Гиббса объединяет энтальпию и энтропию:

    $$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
    Процесс является термодинамически выгодным, когда $\Delta G<0$. Поэтому экзотермические ($\Delta H<0$) и повышающие энтропию ($\Delta S>0$) реакции всегда выгодны; когда эти факторы противоречат друг другу, решение принимает температура.

    Является ли реакция выгодной, исходя из знаков изменения энтальпии и энтропии
    Является ли реакция выгодной, исходя из знаков изменения энтальпии и энтропии

    Разобранный пример. Реакция имеет $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ и $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. Она эндотермическая (невыгодная энтальпия), но повышает энтропию, поэтому становится выгодной только при достаточно высокой температуре. Приравниваем $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ и приводим единицы измерения к совпадению ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

    $$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

    9.4

    Thermodynamic and Kinetic Control · ⁨Термодинамический и кинетический контроль⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.4.A: Explain, in terms of kinetics, why a thermodynamically favored reaction might not occur at a measurable rate.

    • 9.4.A.1 Many processes that are thermodynamically favored do not occur to any measurable extent, or they occur at extremely slow rates.
    • 9.4.A.2 Processes that are thermodynamically favored, but do not proceed at a measurable rate, are under "kinetic control." High activation energy is a common reason for a process to be under kinetic control. The fact that a process does not proceed at a noticeable rate does not mean that the chemical system is at equilibrium. If a process is known to be thermodynamically favored, and yet does not occur at a measurable rate, it is reasonable to conclude that the process is under kinetic control.
    Русский

    Цель обучения 9.4.A: Объяснить, с точки зрения кинетики, почему термодинамически выгодная реакция может не протекать с измеримой скоростью.

    • 9.4.A.1 Многие процессы, которые являются термодинамически выгодными, не происходят в какой-либо измеримой степени или протекают с крайне малыми скоростями.
    • 9.4.A.2 Процессы, которые являются термодинамически выгодными, но не протекают с измеримой скоростью, находятся под «кинетическим контролем». Высокая энергия активации является частой причиной того, что процесс находится под кинетическим контролем. Тот факт, что процесс не протекает с заметной скоростью, не означает, что химическая система находится в равновесии. Если известно, что процесс термодинамически выгоден, но при этом не происходит с измеримой скоростью, разумно заключить, что процесс находится под кинетическим контролем.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    $\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy (diamond → graphite). Thermodynamics gives the direction; kinetics gives the speed.

    Русский

    $\Delta G<0$ говорит о том, что реакция может произойти, но не о том, что она пройдёт быстро. Реакция может быть термодинамически выгодной, но кинетически медленной из-за высокой энергии активации (алмаз → графит). Термодинамика определяет направление; кинетика определяет скорость.

    9.5

    Free Energy and Equilibrium · ⁨Свободная энергия и равновесие⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.5.A: Explain whether a process is thermodynamically favored using the relationships between $K$, $\Delta G^{\circ}$, and $T$.

    • 9.5.A.1 The phrase "thermodynamically favored" ($\Delta G^{\circ} < 0$) means that the products are favored at equilibrium ($K > 1$) under standard conditions.
    • 9.5.A.2 The equilibrium constant is related to free energy by the equations
      • Equation: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
      • Equation: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
    • 9.5.A.3 Connections between $K$ and $\Delta G^{\circ}$ can be made qualitatively through estimation. When $\Delta G^{\circ}$ is near zero, the equilibrium constant will be close to 1. When $\Delta G^{\circ}$ is much larger or much smaller than $RT$, the value of $K$ deviates strongly from 1.
    • 9.5.A.4 Processes with $\Delta G^{\circ} < 0$ favor products (i.e., $K > 1$) and those with $\Delta G^{\circ} > 0$ favor reactants (i.e., $K < 1$).
    Русский

    Цель обучения 9.5.A: Объяснить, является ли процесс термодинамически выгодным, используя соотношения между $K$, $\Delta G^{\circ}$ и $T$.

    • 9.5.A.1 Фраза «термодинамически выгодный» ($\Delta G^{\circ} < 0$) означает, что продукты favor at equilibrium ($K > 1$) в стандартных условиях.
    • 9.5.A.2 Константа равновесия связана со свободной энергией уравнениями
      • Уравнение: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
      • Уравнение: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
    • 9.5.A.3 Связи между $K$ и $\Delta G^{\circ}$ можно установить качественно путем оценки. Когда $\Delta G^{\circ}$ близко к нулю, константа равновесия будет близка к 1. Когда $\Delta G^{\circ}$ значительно больше или значительно меньше $RT$, значение $K$ сильно отклоняется от 1.
    • 9.5.A.4 Процессы с $\Delta G^{\circ} < 0$ благоприятствуют продуктам (т.е., $K > 1$), а те, у которых $\Delta G^{\circ} > 0$, благоприятствуют реагентам (т.е., $K < 1$).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Free energy links to the equilibrium constant:

    $$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
    So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

    Русский

    Свободная энергия связана с константой равновесия:

    $$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
    Таким образом, $\Delta G^\circ<0$ даёт $K>1$ (преобладание продуктов), а $\Delta G^\circ>0$ даёт $K<1$. В состоянии равновесия $\Delta G=0$.

    Батарейка преобразует свободную энергию спонтанной окислительно-восстановительной реакции в электрическую работу
    Батарейка преобразует свободную энергию спонтанной окислительно-восстановительной реакции в электрическую работу
    9.6

    Free Energy of Dissolution · ⁨Свободная энергия растворения⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.6.A: Explain the relationship between the solubility of a salt and changes in the enthalpy and entropy that occur in the dissolution process.

    • 9.6.A.1 The free energy change ($\Delta G^{\circ}$) for dissolution of a substance reflects a number of factors: the breaking of the intermolecular interactions that hold the solid together, the reorganization of the solvent around the dissolved species, and the interaction of the dissolved species with the solvent. It is possible to estimate the sign and relative magnitude of the enthalpic and entropic contributions to each of these factors. However, making predictions for the total change in free energy of dissolution can be challenging due to the cancellations among the free energies associated with the three factors cited.
    Русский

    Цель обучения 9.6.A: Объяснить связь между растворимостью соли и изменениями энтальпии и энтропии, происходящими в процессе растворения.

    • 9.6.A.1 Изменение энергии Гиббса ($\Delta G^{\circ}$) при растворении вещества отражает ряд факторов: разрыв межмолекулярных взаимодействий, удерживающих твердое вещество, реорганизацию растворителя вокруг растворенных частиц и взаимодействие растворенных частиц с растворителем. Можно оценить знак и относительную величину энтальпийного и энтропийного вкладов в каждый из этих факторов. Однако предсказание суммарного изменения энергии Гиббса при растворении может быть затруднено из-за взаимной компенсации свободных энергий, связанных с тремя упомянутыми факторами.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

    Русский

    Будет ли растворяться соль, зависит от изменения свободной энергии растворения. Растворение часто увеличивает энтропию (упорядоченное твёрдое вещество → рассеянные ионы), но может требовать затрат энтальпии; знак $\Delta G$ (и, следовательно, $K_{sp}$) определяется через $\Delta H - T\Delta S$.

    9.7

    Coupled Reactions · ⁨Связанные реакции⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.7.A: Explain the relationship between external sources of energy or coupled reactions and their ability to drive thermodynamically unfavorable processes.

    • 9.7.A.1 An external source of energy can be used to make a thermodynamically unfavorable process occur. Examples include:
      • 9.7.A.1.i Electrical energy to drive an electrolytic cell or charge a battery.
      • 9.7.A.1.ii Light to drive the overall conversion of carbon dioxide to glucose in photosynthesis.
    • 9.7.A.2 A desired product can be formed by coupling a thermodynamically unfavorable reaction that produces that product to a favorable reaction (e.g., the conversion of $ATP$ to $ADP$ in biological systems). In the coupled system, the individual reactions share one or more common intermediates. The sum of the individual reactions produces an overall reaction that achieves the desired outcome and has $\Delta G^{\circ} < 0$.
    Русский

    Цель обучения 9.7.A: Объяснить связь между внешними источниками энергии или связанными реакциями и их способностью обеспечивать термодинамически невыгодные процессы.

    • 9.7.A.1 Внешний источник энергии может использоваться для осуществления термодинамически невыгодного процесса. Примеры включают:
      • 9.7.A.1.i Электрическую энергию для электролиза или зарядки аккумулятора.
      • 9.7.A.1.ii Свет для обеспечения общего превращения углекислого газа в глюкозу в процессе фотосинтеза.
    • 9.7.A.2 Целевой продукт может быть получен путем связывания термодинамически невыгодной реакции, образующей этот продукт, с термодинамически выгодной реакцией (например, превращением $ATP$ в $ADP$ в биологических системах). В связанной системе отдельные реакции имеют один или несколько общих промежуточных продуктов. Сумма отдельных реакций дает общее уравнение, которое приводит к желаемому результату и имеет $\Delta G^{\circ} < 0$.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

    Русский

    Невыгодную реакцию ($\Delta G>0$) можно заставить протекать путём её связывания с выгодной реакцией ($\Delta G<0$), которая имеет общий промежуточный продукт, пока суммарная реакция имеет $\Delta G<0$. Именно так клетки используют АТФ для обеспечения процессов, которые иначе были бы невыгодными.

    9.8

    Galvanic and Electrolytic Cells · ⁨Гальванические и электролитические ячейки⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.8.A: Explain the relationship between the physical components of an electrochemical cell and the overall operational principles of the cell.

    • 9.8.A.1 Each component of an electrochemical cell (electrodes, solutions in the half-cells, salt bridge, voltage/current measuring device) plays a specific role in the overall functioning of the cell. The operational characteristics of the cell (galvanic vs. electrolytic, direction of electron flow, reactions occurring in each half-cell, change in electrode mass, evolution of a gas at an electrode, ion flow through the salt bridge) can be described at both the macroscopic and particulate levels.
    • 9.8.A.2 Galvanic, sometimes called voltaic, cells involve a thermodynamically favored reaction, whereas electrolytic cells involve a thermodynamically unfavored reaction. Visual representations of galvanic and electrolytic cells are tools of analysis to identify where half-reactions occur and in what direction current flows.
    • 9.8.A.3 For all electrochemical cells, oxidation occurs at the anode and reduction occurs at the cathode.
      • Exclusion statement: Labeling an electrode as positive or negative will not be assessed on the AP Exam.
    Русский

    Цель обучения 9.8.A: Объяснить связь между физическими компонентами электрохимической ячейки и общими принципами ее функционирования.

    • 9.8.A.1 Каждый компонент электрохимической ячейки (электроды, растворы в полуячейках, солевой мосток, прибор для измерения напряжения/тока) играет определенную роль в общей работе ячейки. Эксплуатационные характеристики ячейки (гальваническая против электролитической, направление потока электронов, реакции в каждой полуячейке, изменение массы электрода, выделение газа на электроде, движение ионов через солевой мосток) можно описать как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровне.
    • 9.8.A.2 Гальванические, иногда называемые вольтными, ячейки связаны с термодинамически выгодной реакцией, тогда как электролитические ячейки связаны с термодинамически невыгодной реакцией. Визуальные изображения гальванических и электролитических ячеек являются инструментами анализа для определения местоположения полуреакций и направления тока.
    • 9.8.A.3 Для всех электрохимических ячеек окисление происходит на аноде, а восстановление — на катоде.
      • Исключение: Обозначение электрода как положительного или отрицательного не будет проверяться на экзамене AP.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The galvanic cell

    Redox reactions can move electrons through a wire:

    • A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
    • An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

    In both, oxidation happens at the anode 阳极 and reduction at the cathode 阴极.

    Русский
    Гальваническая ячейка

    Окислительно-восстановительные реакции могут перемещать электроны по проводнику:

    Гальваническая ячейка с солевым мостиком и вольтметром
    Гальваническая ячейка с солевым мостиком и вольтметром
    • Гальванический (гальванический) элемент использует самопроизвольную реакцию ($\Delta G<0$) для выработки электричества — аккумуляторная батарея.
    • Электролитическая ячейка использует электричество для вынужденного протекания несамопроизвольной реакции ($\Delta G>0$).

    В обоих случаях окисление происходит на аноде, а восстановление — на катоде.

    Коммерческие батареи: гальванические элементы преобразуют химическую свободную энергию в электрическую работу
    Коммерческие батареи: гальванические элементы преобразуют химическую свободную энергию в электрическую работу
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Transfer electrons in a cell · ⁨Перенос электронов в ячейке⁩

    In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other. · ⁨В гальваническом элементе самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция движет электронами по проводу, совершая электрическую работу; окисление происходит на одном электроде, восстановление — на другом.⁩

    9.9

    Cell Potential and Free Energy · ⁨Потенциал элемента и свободная энергия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.9.A: Explain whether an electrochemical cell is thermodynamically favored, based on its standard cell potential and the constituent half-reactions within the cell.

    • 9.9.A.1 Electrochemistry encompasses the study of redox reactions that occur within electrochemical cells. The reactions are either thermodynamically favored (resulting in a positive voltage) or thermodynamically unfavored (resulting in a negative voltage and requiring an externally applied potential for the reaction to proceed).
    • 9.9.A.2 The standard cell potential of electrochemical cells can be calculated by identifying the oxidation and reduction half-reactions and their respective standard reduction potentials.
    • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (standard Gibbs free energy change) is proportional to the negative of the cell potential for the redox reaction from which it is constructed. Thus, a cell with a positive $E^{\circ}$ involves a thermodynamically favored reaction, and a cell with a negative $E^{\circ}$ involves a thermodynamically unfavored reaction.
      • Equation: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$
    Русский

    Цель обучения 9.9.A: Объяснить, является ли электрохимическая ячейка термодинамически выгодной, исходя из её стандартного потенциала ячейки и входящих в неё полуреакций.

    • 9.9.A.1 Электрохимия охватывает изучение окислительно-восстановительных реакций, происходящих в электрохимических ячейках. Эти реакции либо термодинамически выгодны (приводят к положительному напряжению), либо термодинамически невыгодны (приводят к отрицательному напряжению и требуют приложения внешнего потенциала для протекания реакции).
    • 9.9.A.2 Стандартный потенциал ячейки электрохимических ячеек можно рассчитать, определив реакции окисления и восстановления и их соответствующие стандартные потенциалы восстановления.
    • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (стандартное изменение энергии Гиббса) пропорционально минус значению потенциала ячейки для окислительно-восстановительной реакции, из которой оно построено. Таким образом, ячейка с положительным $E^{\circ}$ включает термодинамически выгодную реакцию, а ячейка с отрицательным $E^{\circ}$ включает термодинамически невыгодную реакцию.
      • Уравнение: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

    $$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
    where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction.

    Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

    $$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
    It is positive, so the reaction is spontaneous and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

    Русский

    Электродвижущая сила элемента $E^\circ_{\text{cell}}$ измеряет движущую силу в вольтах и рассчитывается на основе стандартных потенциалов восстановления ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). Она связана со свободной энергией через соотношение:

    $$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
    где $n$ — количество молей электронов, а $F$ — постоянная Фарадея. Положительное значение $E^\circ_{\text{cell}}$ указывает на самопроизвольную (гальваническую) реакцию.

    Электрохимический ряд стандартных электродных потенциалов
    Электрохимический ряд стандартных потенциалов электрода

    Разобранный пример. Элемент соединяет медный катод ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) с цинковым анодом ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). Потенциал элемента равен

    $$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
    Он положителен, значит реакция是自发的, и элемент (элемент Даниэля) работает как батарея.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    anode/ˈænəʊd/ анод
    cathode/ˈkæθəʊd/ катод
    cell potential/sel pəˈtenʃl/ ЭДС элемента (потенциал ячейки)
    Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ Уравнение Нернста
    9.10

    Cell Potential Under Nonstandard Conditions · ⁨Потенциал элемента в нестандартных условиях⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.10.A: Explain the relationship between deviations from standard cell conditions and changes in the cell potential.

    • 9.10.A.1 In a real system under nonstandard conditions, the cell potential will vary depending on the concentrations of the active species. The cell potential is a driving force toward equilibrium; the farther the reaction is from equilibrium, the greater the magnitude of the cell potential.

    • 9.10.A.2 Equilibrium arguments such as Le Châtelier's principle do not apply to electrochemical systems, because the systems are not in equilibrium.

    • 9.10.A.3 The standard cell potential $E^{\circ}$ corresponds to the standard conditions of $Q = 1$. As the system approaches equilibrium, the magnitude (i.e., absolute value) of the cell potential decreases, reaching zero at equilibrium (when $Q = K$). Deviations from standard conditions that take the cell further from equilibrium than $Q = 1$ will increase the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. Deviations from standard conditions that take the cell closer to equilibrium than $Q = 1$ will decrease the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. In concentration cells, the direction of spontaneous electron flow can be determined by considering the direction needed to reach equilibrium.

    • 9.10.A.4 Algorithmic calculations using the Nernst equation are insufficient to demonstrate an understanding of electrochemical cells under nonstandard conditions. However, students should qualitatively understand the effects of concentration on cell potential and use conceptual reasoning, including the qualitative use of the Nernst equation:

      • Equation: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

      to solve problems.

    Русский

    Цель обучения 9.10.A: Объяснять связь между отклонениями от стандартных условий работы гальванического элемента и изменениями потенциала ячейки.

    • 9.10.A.1 В реальной системе в нестандартных условиях потенциал ячейки будет варьироваться в зависимости от концентраций активных веществ. Потенциал ячейки является движущей силой toward equilibrium; чем дальше реакция находится от равновесия, тем больше модуль потенциала ячейки.
    • 9.10.A.2 Аргументы равновесия, такие как принцип Ле Шателье, не применимы к электрохимическим системам, потому что эти системы не находятся в равновесии.
    • 9.10.A.3 Стандартный потенциал ячейки $E^{\circ}$ соответствует стандартным условиям $Q = 1$. По мере приближения системы к равновесию модуль (т.е. абсолютное значение) потенциала ячейки уменьшается, достигая нуля в состоянии равновесия (когда $Q = K$). Отклонения от стандартных условий, которые отодвигают ячейку от равновесия сильнее, чем $Q = 1$, увеличат модуль потенциала ячейки относительно $E^{\circ}$. Отклонения от стандартных условий, которые приблизят ячейку к равновесию сильнее, чем $Q = 1$, уменьшат модуль потенциала ячейки относительно $E^{\circ}$. В концентрационных элементах направление спонтанного потока электронов можно определить, рассматривая необходимое направление для достижения равновесия.
    • 9.10.A.4 Алгоритмические вычисления с использованием уравнения Нернста недостаточны для демонстрации понимания электрохимических ячеек в нестандартных условиях. Однако учащиеся должны качественно понимать влияние концентрации на потенциал ячейки и использовать концептуальные рассуждения, включая качественное применение уравнения Нернста:
      • Уравнение: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

    для решения задач.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier predicts.

    Русский

    Вдали от стандартных условий потенциал смещается в зависимости от концентрации — уравнение Нернста (качественно): по мере расходования реагентов $Q$ растет, а $E_{\text{cell}}$ падает, достигая нуля в состоянии равновесия (разряженная батарея). Изменение концентрации смещает $E_{\text{cell}}$ так, как предсказывает принцип Ле Шателье.

    9.11

    Electrolysis and Faraday's Law · ⁨Электролиз и закон Фарадея⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.11.A: Calculate the amount of charge flow based on changes in the amounts of reactants and products in an electrochemical cell.

    • 9.11.A.1 Faraday's laws can be used to determine the stoichiometry of the redox reaction occurring in an electrochemical cell with respect to the following:
      • 9.11.A.1.i Number of electrons transferred
      • 9.11.A.1.ii Mass of material deposited on or removed from an electrode (as in electroplating)
      • 9.11.A.1.iii Current
      • 9.11.A.1.iv Time elapsed
      • 9.11.A.1.v Charge of ionic species
      • Equation: $I = q/t$
    Русский

    Цель обучения 9.11.A: Вычислить количество перенесенного заряда на основе изменений количества реагентов и продуктов в электрохимической ячейке.

    • 9.11.A.1 Законы Фарадея могут быть использованы для определения стехиометрии окислительно-восстановительной реакции, происходящей в электрохимической ячейке, относительно следующего:
      • 9.11.A.1.i Количество переданных электронов
      • 9.11.A.1.ii Масса материала, осаждаемого на электроде или удаляемого с него (как при электропокрытии)
      • 9.11.A.1.iii Сила тока
      • 9.11.A.1.iv Прошедшее время
      • 9.11.A.1.v Заряд ионных частиц
      • Уравнение: $I = q/t$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Electrolysis

    In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the half-reaction's electron ratio to get moles (and mass) of product.

    Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

    Русский
    Электролиз

    При электролизе заряд, прошедший через систему, определяет количество осажденной или полученной субстанции — закон Фарадея. Переведите ток × время в заряд, заряд в моль электронов ($F=96{,}485$ Кл/моль), затем используйте соотношение электронов в полуреакции для получения количества вещества (и массы) продукта.

    Электролиз: ионы движутся к электродам и разряжаются на них
    Электролиз: ионы движутся к электродам и разряжаются

    Разобранный пример. Ток силой $2.0\ \text{A}$ протекает в течение $30\ \text{minutes}$ через раствор сульфата меди(II) ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). Сколько меди осадится? Заряд составляет $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, что дает $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ моль электронов. Поскольку на каждый атом Cu требуется $2$ электронов, образуется $0.0187\ \text{mol}$ моль Cu, масса которых равна $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Electrolyse a molten salt · ⁨Электролиз расплавленной соли⁩

    Electrolysis uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited. · ⁨Электролиз использует ток для вынужденного протекания несамопроизвольной реакции: положительные ионы принимают электроны на катоде, отрицательные — теряют их на аноде. Заряд определяет количество осадка.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ электролитическая ячейка
    electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ электролиза
    Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Законом Фарадея
    9.11

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
    • Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
    • Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
    • In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
    • In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).
    Русский
    • Процесс является термодинамически выгодным, когда $\Delta G<0$; объедините энтальпию и энтропию с помощью $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (согласуйте единицы измерения — кДж против Дж).
    • Энтропия увеличивается при переходе твердое→жидкое→газообразное, а также при образовании большего количества молей газа.
    • Выгодность не означает скорость — высокая энергия активации может сделать $\Delta G<0$ реакцию крайне медленной (кинетический контроль).
    • В электрохимии положительный $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ означает самопроизвольный (гальванический) элемент; окисление происходит на аноде, восстановление — на катоде.
    • При электролизе прошедший заряд ($Q=It$) фиксирует количество осажденного вещества (закон Фарадея).

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP