If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Chemia - program rozszerzony

Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 12

Lekcja 2: Równowaga kwasowo-zasadowa
Nauki przyrodnicze
Chemia - program rozszerzony
Kwasy i zasady
Równowaga kwasowo-zasadowa
© 2023 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Równowaga między słabymi kwasami i zasadami

Google Classroom
Reakcje jonizacji słabych kwasów i zasad oraz stałe związane z równowagą,  Ka i Kb. Związek Ka i Kb z pH oraz obliczanie stopnia dysocjacji. 

Kluczowe punkty:

  • Dla typowego słabego jednoprotonowego kwasu start text, H, A, end text ze sprzężoną zasadą start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, stała równowagi ma postać:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • Stała dysocjacji kwasu K, start subscript, start text, a, end text, end subscript wyraża ilościowo stopień dysocjacji słabego kwasu. Im większa wartość K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, tym mocniejszy kwas i na odwrót.
  • Dla typowej słabej zasady start text, B, end text, ze sprzężonym kwasem start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, stała równowagi ma postać:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • Stała dysocjacji zasady (lub stała jonizacji zasady) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript wyraża ilościowo stopień jonizacji słabej zasady. Im większa wartość K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, tym mocniejsza zasada i na odwrót.

Silne kwasy i zasady kontra słabe

Określenie silne kwasy i zasady odnosi się do związków, które całkowicie dysocjują do jonów w roztworze. Natomiast słabe kwasy i zasady jonizują tylko częściowo, a reakcja jonizacji jest odwracalne. W związku z tym, słabe kwasy i zasady zawierają wiele naładowanych i obojętnych związków w dynamicznej równowadze.
W tym artykule, omówimy reakcje dysocjacji kwasów i zasad oraz związane z nimi stałe równowagi: K, start subscript, start text, a, end text, end subscript- stałą dysocjacji kwasu i K, start subscript, start text, b, end text, end subscript- stałą dysocjacji zasady.

Rozgrzewka: Porównywanie mocy kwasów i start text, p, H, end text

Problem 1: Słabe kontra mocne kwasy o takim samym stężeniu

Mamy dwa roztwory: 2, comma, 0, start text, M, end text roztwór kwasu fluorowodorowego, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis i 2, comma, 0, start text, M, end text roztwór kwasu bromowodorowego start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Który z roztworów ma niższe start text, p, H, end text?
Wybierz 1 odpowiedź:

Problem 2: Słaby kontra mocny kwas o różnym stężeniu

Tym razem mamy 2, comma, 0, start text, M, end text roztwór kwasu fluorowodorowego, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis i 1, comma, 0, start text, M, end text roztwór kwasu bromowodorowego, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Który z roztworów ma niższe start text, p, H, end text?
Załóżmy, że nie znamy stałej równowagi dla dysocjacji kwasu fluorowodorowego.
Wybierz 1 odpowiedź:

Słabe kwasy i stała dysocjacji kwasu, K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

Słabe kwasy to kwasy, nie dysocjujące całkowicie w roztworze. Innymi słowy, słaby kwas to każdy kwas, który nie jest mocnym kwasem.
Moc słabego kwasu zależy od tego, jak bardzo dysocjuje: im bardziej dysocjuje tym mocniejszy jest. Aby wyrazić liczbowo względną moc słabego kwasu, możemy sprawdzić stałą dysocjacji kwasu K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, czyli stałą równowagi dla reakcji dysocjacji kwasu.
Dla typowego jednoprotonowego słabego kwasu start text, H, A, end text, reakcja dysocjacji w wodzie może być zapisana w następujący sposób:
start text, H, A, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis
W oparciu o tę reakcję, możemy zapisać wyrażenie na stałą równowagi K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
Wyrażenie na stałą równowagi jest stosunkiem produktów do substratów. Im więcej start text, H, A, end text dysocjuje do start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript i sprzężonej zasady start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, tym mocniejszy jest kwas i tym wyższa wartość K, start subscript, start text, a, end text, end subscript. Ponieważ start text, p, H, end text związane jest z open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, start text, p, H, end text roztworu jest zarówno funkcją K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, jak i stężenia kwasu: wraz z zmniejszaniem się start text, p, H, end text wzrasta stężenie kwasu i/lub K, start subscript, start text, a, end text, end subscript.

Powszechne słabe kwasy

Kwas jabłkowy, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, to organiczny kwas, znajdujący się w jabłkach. Ilustracja Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
Reszty karboksylowe są powszechnymi grupami funkcyjnymi w słabych kwasach organicznych i mają wzór minus, start text, C, O, O, H, end text. Kwas jabłkowy, left parenthesis, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, right parenthesis, jest organicznym kwasem, zawierającym dwie grupy karboksylowe, który odpowiedzialny jest za cierpki smak jabłek i innych owoców. Ponieważ w cząsteczce kwasu jabłkowego znajdują się dwie reszty karboksylowe, jest potencjalnym donorem dwóch protonów.
W tabeli poniżej wypisano kilka przykładów słabych kwasów i ich wartości K, start subscript, start text, a, end text, end subscript.
NazwaWzórK, start subscript, start text, a, end text, end subscript, left parenthesis, 25, degrees, start text, C, end text, right parenthesis
Jon amonowystart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript5, comma, 6, times, 10, start superscript, minus, 10, end superscript
Kwas chlorowy (III)start text, H, C, l, O, end text, start subscript, 2, end subscript1, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript
Kwas fluorowodorowystart text, H, F, end text7, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Kwas octowystart text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Sprawdź swoją wiedzę teoretyczną: Na podstawie powyższej tabeli, który kwas jest mocniejszyminusoctowy czy fluorowodorowy?

Przykład 1: Obliczanie % dysocjacji słabego kwasu

Jednym sposobem na obliczenie ile słabego kwasu dysocjuje jest obliczenie procentu dysocjacji. Procent dysocjacji słabego kwasu start text, H, A, end text może być obliczony w poniższy sposób:
Jeżeli kwas azotawy left parenthesis, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis ma K, start subscript, start text, a, end text, end subscript równe 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript w 25, degrees, start text, C, end text, to ile wynosi procent dysocjacji kwasu azotawego o stężeniu 0, comma, 400, start text, space, M, end text solution?
Rozpracujmy ten przykład krok po kroku!

Krok 1: Zapisz zbilansowane równanie reakcji dysocjacji

Najpierw, zapisz zbilansowane równanie dysocjacji start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript w wodzie Kwas azotawy może oddać jeden proton do wody aby stworzyć start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Krok 2: Zapisz wyrażenie na K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

Na podstawie równania z kroku 1., możemy zapisać wyrażenie na K, start subscript, start text, a, end text, end subscript kwasu azotawego:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript

Krok 3: Znajdź open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket i open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket w równowadze

Następnie, możemy użyć start text, t, a, b, e, l, i, space, s, t, ę, z, with, \., on top, e, n, with, \', on top, end text aby znaleźć wyrażenia algebraiczne na stężenia równowagowe w wyrażeniu na K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscriptstart text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript
Początkowe0, comma, 400, start text, M, end text00
Zmianaminus, xplus, xplus, x
Równowagowe0, comma, 400, start text, M, end text, minus, xxx
Podstawiając stężenia równowagowe do wyrażenia na K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, otrzymujemy:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, left parenthesis, 0, comma, 400, start text, M, end text, minus, x, right parenthesis, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Upraszczając wyrażenie, otrzymujemy:
start fraction, x, squared, divided by, 0, comma, 400, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Jest to równanie kwadratowe, z którego możemy obliczyć x używając wzoru na pierwiastki równania lub metodą przybliżeń.
W obu metodach otrzymamy wynik x, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text. W związku z tym open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text.

Krok 4: Oblicz procent dysocjacji

Do obliczenia procentu dysocjacji, użyjemy stężeń równowagowych, które obliczyliśmy w 3. kroku:
Wynika z tego, że w roztworze 3, comma, 2, percent of the start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript zdysocjowało do jonów start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript i start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript.

Słabe zasady i K, start subscript, start text, b, end text, end subscript

Przeanalizujmy stałą dysocjacji zasady (nazywaną również stałą jonizacji zasady) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Zacznijmy od zapisania reakcji jonizacji typowej słabej zasady start text, B, end text w wodzie. W tej reakcji, zasada jest akceptorem protonu z wody i powstają jon wodorotlenkowy i sprzężony kwas, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript:
start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis
Możemy zapisać równanie na stałą równowagi K, start subscript, start text, b, end text, end subscript w następujący sposób:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
Z tego stosunku, możemy wyczytać, że im więcej zasady jonizuje, tworząc start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, tym mocniejsza jest zasada i tym wyższa wartość K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. W takim razie, start text, p, H, end text będzie funkcją zarówno wartości K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, jak i stężenia zasady.

Przykład 2: Obliczanie start text, p, H, end text roztworu słabej zasady

Ile wynosi start text, p, H, end text 1, comma, 50, start text, space, M, end text roztworu jonu amonowego, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript? left parenthesis, K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, right parenthesis
Ten przykład jest problemem dotyczącym równowagi o jednym dodatkowym kroku: wyliczenie start text, p, H, end text z open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket. Przeanalizujmy obliczenia krok po kroku.

Krok 1: Zapisz zbilansowane równanie jonizacji

Najpierw zapiszmy reakcję jonizacji zasady dla amoniaku. Amoniak jest akceptorem protonów z wody i tworzy amoniak, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Krok 2: Zapisz wyrażenie na K, start subscript, start text, b, end text, end subscript

Ze zbilansowanego równania możemy napisać wyrażenie na K, start subscript, start text, b, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript

Step 3: Find open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket and open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket at equilibrium

Aby ustalić stężenia równowagowe, możemy użyć start text, t, a, b, e, l, i, space, s, t, ę, z, with, \., on top, e, n, with, \', on top, end text:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscriptstart text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript
Początkowe1, comma, 50, start text, M, end text00
Różnicaminus, xplus, xplus, x
Równowagowe1, comma, 50, start text, M, end text, minus, xxx
Podstawiając wartości równowagowe do wyrażenia na K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, otrzymujemy:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, 1, comma, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Po uproszczeniu dostajemy:
start fraction, x, squared, divided by, 1, comma, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Jest to równanie kwadratowe, które możemy rozwiązać używając wzoru na pierwiastki równania lub metodą przybliżeń. Każda z metod da nam rozwiązanie.
x, equals, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, 5, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 3, end superscript, start text, space, M, end text

Krok 4: Oblicz start text, p, H, end text, używając open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket

Gdy znamy już stężenie jonu wodorotlenkowego, możemy obliczyć start text, p, O, H, end text:
pOH=−log⁡[OH−]=−log⁡(5,2×10−3)=2,28\begin{aligned}\text{pOH}&=-\log[\text{OH}^-]\\ \\ &=-\log(5{,}2\times10^{-3})\\ \\ &=2{,}28\end{aligned}
Przypomnij sobie, że w 25, degrees, start text, C, end text, start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14. Przekształcając równanie, otrzymujemy:
start text, p, H, end text, equals, 14, minus, start text, p, O, H, end text
Podstawiając wartość start text, p, O, H, end text, otrzymujemy:
start text, p, H, end text, equals, 14, comma, 00, minus, left parenthesis, 2, comma, 28, right parenthesis, equals, 11, comma, 72
Wynika z tego, że start text, p, H, end text roztworu wynosi 11,72.

Powszechne słabe zasady

Po lewej- struktura pirydyny. Po prawej- struktura typowej aminy: obojętny atom azotu, powiązany pojedynczymi wiązaniami z R1, R2 i R3.
Pirydyna (po lewej) jest związkiem cyklicznym, zawierającym azot. Aminy (po prawej) to organiczne związki, zawierające obojętny atom wodoru, połączony trzema wiązaniami pojedynczymi z wodorem lub węglem. Obie cząsteczki są słabymi zasadami.
Od mydła do domowych środków czyszczących- słabe zasady są wszędzie wokół nas. Aminy- obojętny atom azotu, połączony trzema wiązaniami z innymi atomami (najczęściej węglem lub wodorem), są powszechną grupą słabych zasad organicznych.
Aminy pełnią funkcję zasad, ponieważ wolna para elektronowa azotu może przyjąć start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript Amoniak, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, jest przykładem zasady aminowej. Pirydyna, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, jest innym przykładem zasady, zawierającej azot.

Podsumowanie

  • Dla typowego słabego jednoprotonowego kwasu start text, H, A, end text ze sprzężoną zasadą start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, stała równowagi ma postać:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • Stała dysocjacji kwasu K, start subscript, start text, a, end text, end subscript wyraża ilościowo stopień dysocjacji słabego kwasu. Im wyższa wartość K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, tym mocniejszy kwas i na odwrót.
  • Dla typowej słabej zasady start text, B, end text, ze sprzężonym kwasem start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, stała równowagi ma postać:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • Stała dysocjacji zasady (lub stała jonizacji zasady) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript wyraża ilościowo stopień jonizacji słabej zasady. Im wyższa wartość K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, tym mocniejsza zasada i na odwrót.

Spróbuj sam!

Problem 1: Obliczanie K, start subscript, start text, b, end text, end subscript z start text, p, H, end text

1, comma, 50, start text, space, M, end text roztwór pirydyny, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, ma start text, p, H, end text równe 9, comma, 70 w 25, degrees, start text, C, end text. Ile wynosi K, start subscript, start text, b, end text, end subscript pirydyny?
Wybierz 1 odpowiedź:

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.