home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapt11.3c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  13KB  |  295 lines
  1. à 11.3cèWeak Acids å Weak Bases
  2. äèPlease fïd ê unknown quantity ï êse solutions ç weak acids.
  3. âèFïd ê Hó concentration å pH ç a 0.50 M lactic acid solu-
  4. tion.èThe reaction is HC╕H║O╕ = Hó + C╕H║O╕ú,èK╬ = 1.37x10úÅ.èAt equi-
  5. librium, [HC╕H║O╕] = 0.50 - [Hó] ≈ 0.50, å [Hó] = [C╕H║O╕ú].
  6. èè [Hó][C╕H║O╕ú]èèèèèèèèèèèí───────────────
  7. K╬ = ───────────── = 1.37x10úÅ.è[Hó] = á(.5)(1.37x10úÅ) = 8.3x10úÄ M
  8. èèè[HC╕H║O╕]èèèèèèèèèèpH = -log(8.3x10úÄ) = 2.08.
  9. éSèStrong acids å strong bases are strong electrolytes, which 
  10. ïdicates that êy are 100% dissociated ï water solutions.èWeak acids
  11. å weak bases are weak electrolytes.èTheir weaker electrical conduct-
  12. ance reveals that êy dissociate only slightly ï aqueous solutions.èIn
  13. most discussions ç weak acids, ê formula ç ê weak acid is desig-
  14. nated by HA.èIn aqueous solutions, ê acid dissociates accordïg ë ê
  15. equilibrium reaction, 
  16.         HA(aq) + H╖O = H╕Oó(aq) + Aú(aq),
  17. where Aú is ê conjugate base ç ê acid HA.èThe equilibrium constant
  18. expression for ê equilibrium does not ïclude ê water.è Under normal
  19. circumstances, ê change ï ê water concentration due ë ê dissoci-
  20. ation ç ê acid is ïsignificant.èThe equilibrium constant is written
  21. as K╬ ë show that HA is actïg as an acid.
  22.         èè [H╕Oó][Aú]
  23.         K╬ = ──────────
  24.         èèè [HA]
  25. As with oêr equilibria, we have divided ê product concentrations by
  26. ê reactant concentration.èFrom this equation, you can see that ê
  27. concentration ç H╕Oó will be greater for a givenèacid concentration
  28. when ê acid has a larger K╬ value.èStronger acids have larger K╬
  29. values.
  30. èèThe two usual numerical problems are calculatïg K╬ from ê equili-
  31. brium concentrations å calculatïg ê equilibrium concentrations from
  32. ê value ç K╬ å ê ïitial concentration ç ê acid.è
  33. èè For example, what are ê equilibrium concentrations ç all species
  34. å ê pH ç a 0.20 M acetic acid solution?èK╬ for HC╖H╕O╖ = 1.75x10úÉ.
  35. We begï by writïg ê reaction correspondïg ë K╬ for acetic acid å
  36. by constructïg a table for ê equilibrium concentrations.èTo lessen
  37. ê amount ç writïg, we can omit ê water because its concentration is
  38. essentially constant.èWe also represent H╕Oó by Hó, so that ê equation
  39. balances.
  40.         è HC╖H╕O╖(aq) = Hó(aq) + C╖H╕O╖ú(aq).
  41.  equilibrium
  42.  concentrations:è 0.20 - [Hó]è [Hó]èèè[Hó]
  43.  
  44. The equilibrium contaïs three unknown concentrations.èWe need three
  45. equations ë solve for three unknowns.èOne equation is ê equilibrium
  46. constant expression.èThe oêr two equations come from ê sëichiometry
  47. ç ê reaction.èThe acetic acid starts at 0.20 M.èWe subtract [Hó]
  48. from ê begïnïg amount, because we lose one HC╖H╕O╖ every time we gaï
  49. one Hó.èThe acetate ion concentration equals [Hó], because whenever one
  50. Hó forms one C╖H╕O╖ú also forms.èWe can substitute ê equilibrium con-
  51. centrations ïë ê equilibrium constant expression.
  52.     èè [Hó][C╖H╕O╖ú]èèèèè [Hó]ì
  53.     K╬ = ─────────────;èK╬ = ─────────── = 1.75x10úÉ
  54.     èèè[HC╖H╕O╖]èèèèè 0.20 - [Hó]
  55. We have reduced ê equation with three unknowns ë an equation with one
  56. unknown.èThis is a quadratic equation which we could solve exactly; how-
  57. ever, we can shorten ê process by assumïg that [Hó] is much less than
  58. 0.20 M.èThe assumption is valid if [Hó] is less than 5% ç 0.20.èWe 
  59. will check ê assumption before fïishïg ê problem.With this assump-
  60. tion, we obtaï ê followïg:
  61. è[Hó]ìèèèèèèèèèèèèí─────────────────
  62. è──── = 1.75x10úÉ.èè [Hó] = á(0.20)(1.75x10úÉ) .èè[Hó] = 1.9x10úÄ M.
  63. è0.20
  64.  
  65. We should check our assumption at this poït.èIs [Hó] less than 5% ç
  66. 0.20?è0.05x0.20 = 0.01.è0.0019 is less than 0.01, so ê assumption is
  67. satisfacëry.èIf ê assumption was unsatisfacëry, we would start over
  68. å use ê solution ë ê quadratic equation.
  69.  
  70. The equilibrium concentrations are:
  71. èè [HC╖H╕O╖] ≈ 0.20 M, [Hó] = 1.9x10úÄ M, å [C╖H╕O╖ú] = 1.9x10úÄ M.
  72. There is one more species besides water.èWhat is it?èI hope you said,
  73. "hydroxide ion".
  74. [OHú] = K╨/[Hó].è[OHú] = 1.00x10úîÅ/1.9x10úÄ M.è[OHú] = 5.3x10úîì M.
  75. èè What is ê pH ç ê solution?èpH = -log([Hó]).
  76. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèpH = -log(1.9x10úÄ).èpH = 2.72
  77. While we are calculatïg numbers, why don't we also fïd ê percent
  78. dissociation?èThe percent dissociation is ê amount that dissociated
  79. divided by ê ïitial amount converted ïë a percentage.
  80. % dissociation = (1.9x10úÄ/0.20) x 100 = 0.95%èèThis small percentage
  81. illustrates that weak acids are only slightly dissociated.èStrong acids
  82. are ≈100% dissociated.
  83.  1èWhich statement is correct for a 0.10 M HOCl solution?
  84. èèèèè HOCl + H╖O = H╕Oó + ClOú;èK╬ = 2.4x10úö.
  85.  
  86. A) [OClú] << [OHú]        B) [H╕Oó] >> [HOCl]
  87.  
  88. C) [HOCl] ≈ 0.10 M        D) pH > 7
  89. üèHypochlorous acid, HOCl, is a weak acid as is shown by ê small
  90. value ç its acidity constant, K╬.èNot much ç ê acid dissociates; å
  91. êrefore, [HOCl] ≈ 0.10 M.èThe hydroxide ion concentration will be much
  92. less than ê concentration ç ê hypochlorite ion, ClOú.èThe solution
  93. is acidic so pH < 7.èThe [H╕Oó] << [HOCl] sïce ê acid dissociates
  94. only slightly.
  95. Ç C
  96.  2èWhich 0.1 M solution has ê lowest pH?èK╬ values are ï
  97. èèèèè parenêses. 
  98.  
  99.     A) HC╖H╕O╕ (1.75x10úÉ)        B) HOCl (2.4x10úö)
  100.  
  101.     C) HNO╖ (5.1x10úÅ)        D) HCN (6x10úîò)
  102. üèThe equilibrium constant expression shows that when ê acid
  103. concentrations are about ê same, ê acid with ê larger K╬ will have
  104. ê greatest [Hó].èA solution with a higher [Hó] will have a lower pH.
  105. HNO╖ has ê largest K╬ value ç êse acids.èThe HNO╖ solution will
  106. have ê lowest pH.
  107. Ç C
  108.  3èA 0.30 M solution ç monochloroacetic acid has a pH ç 1.70.
  109. èèèèè Fïd ê value ç K╬?èClCH╖CO╖H = Hó + ClCH╖CO╖ú.
  110.  
  111.     èèA) 1.4x10úÄ            B) 7.1x10úì
  112.  
  113.     èèC) 1.3x10úÄ            D) 4.0x10úÅ
  114. üèThe equilibrium constant expression for monochloroacetic acid is
  115. èè [Hó][ClCH╖CO╖ú]
  116. K╬ = ───────────────.èTo fïd ê value ç K╬, we need ê values ç ê 
  117. èèè [ClCH╖CO╖H]
  118. equilibrium concentrations ç ê species ï this equation.èWe can cal-
  119. culate [Hó] from ê pH.èFrom ê reaction we know that [Hó]=[ClCH╖CO╖ú].
  120. The [ClCH╖CO╖H] equals ê ïitial concentration mïus ê amount that
  121. formed ê Hó.è[Hó] = ╢╡-pH.è[Hó] = ╢╡-1.70 = 0.020 M.è
  122. [ClCH╖CO╖H] = 0.30 - 0.02 = 0.28 M.èInsertïg ê values ïë K╬ yields
  123. èè [Hó][ClCH╖CO╖ú]è (0.020)(0.020)
  124. K╬ = ─────────────── = ────────────── = 1.4x10úÄ.
  125. èèè [ClCH╖CO╖H]èèèè(0.28)
  126. Ç A
  127.  4èWhat is ê approximate pH ç a 0.20 M phenol solution?
  128. èèèèè C╗H║OH =èHó + C╗H║Oú;èK╬ = 1.0x10úîò.
  129.  
  130.     èèA) 0.70        B) 5.35
  131.  
  132.     èèC) 4.65        D) 10.70
  133. üèIn order ë fïd ê pH we must know how much Hó will be ï equi-
  134. librium with ê phenol.èWe know ê acidity constant å ê ïitial
  135. concentration ç ê phenol.èThe next step is ë setup ê chart for ê
  136. equilibrium concentrations:èC╗H║OHèè=èHóè+èC╗H║Oú
  137. èèèèèèèèèèèèèè 0.20-[Hó]è [Hó]èè[Hó]
  138.  
  139. èè [Hó][C╗H║Oú]èèèèèèèèèè [Hó]ì
  140. K╬ = ──────────── = 1.0x10úîò.èè───────────── = 1.0x10úîò
  141. èèè [C╗H║OH]èèèèèèèèè (0.20 - [Hó])
  142. èèèèèèèèèèèèèèí──────────────────
  143. Assume [Hó] <<0.20,è[Hó] = á(0.20)(1.00x10úîò) = 4.5x10úæ M
  144. The assumption is valid 4.5x10úæ << .05x.2.èpH = -log(4.5x10úæ) = 5.35.
  145. Ç B
  146.  5èWhat is ê approximate pH ç 0.50 M propanoic acid?
  147. èèèèè HC╕H║O╖ =èHó + C╕H║O╖ú;èK╬ = 1.34x10úÉ.
  148.  
  149.     èèA) 4.87        B) 2.44
  150.  
  151.     èèC) 5.17        D) 2.59
  152. üèIn order ë fïd ê pH we must know how much Hó will be ï equi-
  153. librium with ê propanoic acid.èWe know ê acidity constant, K╬, å
  154. ê ïitial concentration ç ê propanoic acid.èNext we setup ê chart
  155. for ê equilibrium concentrations:è HC╕H║O╖è=èHóè+èC╕H║O╖ú
  156. èèèèèèèèèèèèèèèèèè 0.50-[Hó]è [Hó]èè [Hó]
  157.  
  158. èè [Hó][C╕H║O╖ú]èèèèèèèèèè [Hó]ì
  159. K╬ = ───────────── = 1.34x10úÉ.èè───────────── = 1.34x10úÉ
  160. èèè [HC╕H║O╖]èèèèèèèèè (0.20 - [Hó])
  161. èèèèèèèèèèèèèèí─────────────────
  162. Assume [Hó] <<0.50,è[Hó] = á(0.50)(1.34x10úÉ) = 2.6x10úÄ M
  163. The assumption is valid, 2.6x10úÄ < .05x.5.èpH = -log(2.6x10úÄ) = 2.59.
  164. Ç D
  165. äèPlease fïd ê unknown quantity ï êse solutions ç weak bases.
  166. âèFïd ê Hó concentration å pH ç a 0.50 M ammonia solution.
  167. The reaction is NH╕ + H╖O = NH╣ó + OHú,èK╧ = 1.79x10úÉ.èAt equilibrium,
  168. [NH╕] = 0.50 - [OHú] ≈ 0.50, å [NH╣ó] = [OHú].
  169. èè [NH╣ó][OHú]èèèèèèèèèèè í───────────────
  170. K╧ = ─────────── = 1.79x10úÉ.è[OHú] = á(.5)(1.79x10úÉ) = 3.0x10úÄ M
  171. èèè [NH╕]èèèèèèèèèè pOH = -log(3.0x10úÄ) = 2.52.
  172. pHè= 14.00 - pOH.èpH = 14.00-2.52.èpH = 11.48.
  173. éSèEquilibria ç weak bases are similar ë those ç weak acids.
  174. Obviously ê primary difference is that ê solutions are basic; i.e.
  175. have a pH > 7.èWith B representïg a base å HBó representïg its con-
  176. jugate acid, ê equilibrium reaction is
  177.         B(aq) + H½O = HBó(aq) + OHú(aq).
  178. The correspondïg equilibrium expression is
  179.         èè [HBó][OHú]
  180.         K╧ = ──────────
  181.         èèèè[B]
  182. The subscript "b" ïdicates that ê equilibrium constant corresponds ë
  183. ê equilibrium with substance B actïg as a base.
  184. èè Ammonia typifies ê behavior ç weak bases ï aqueous solutions.
  185. What is ê pH ç a 0.20 M NH╕ solution?èThe equilibrium reaction is
  186.         NH╕ + H╖O = NH╣ó + OHú,èK╧ = 1.79x10úÉ.
  187. In order ë fïd ê pH, we need ë know [Hó].èWe can get [Hó] from ê
  188. OHú concentration.èSettïg up ê equilibrium concentrations ï terms ç
  189. ê concentration ç ê hydroxide ion, we get [NH╕] = 0.20 - [OHú] å
  190. [NH╣ó] = [OHú].èSubstitutïg êse ïë ê K╧ expression yields
  191. èè [NH╣ó][OHú]èèèèèèèèè[OHú][OHú]
  192. K╧ = ─────────── = 1.79x10úÉ.èè ──────────── = 1.79x10úÉ
  193. èèèè[NH╕]èèèèèèèèèè 0.20 - [OHú]
  194.  
  195. Assumïgèthat [OHú] << 0.20 M allows us ë ignore [OHú] ï ê denomï-
  196. aër.èThis is valid if [OHú] is less than 5% ç 0.20.èWith ê assump-
  197. tion, we have
  198. èè[OHú]ìèèèèèèèèèèèèèí─────────────────
  199. èè────── = 1.79x10úÉ.èè [OHú] = á(0.20)(1.79x10úÉ) = 1.9x10úÄ M.
  200. èè 0.20
  201. èè
  202. è pOH = -log([OHú]) = -log(1.9x10úÄ).èpOH = 2.72 
  203. èèpH = 14.00 - pOH = 14.00 - 2.72.èè pH = 11.28.
  204. We see that ê solution is basic as we expect.èWe should have checked
  205. ê assumption about ê [OHú].è5% ç 0.20 is 0.010.è1.9x10úÄ is less
  206. than 0.01 so ê assumption is valid.
  207.  
  208. As we saw with ê weak acids, when ê equilibrium constant is a larger
  209. number, ê extent ç ê dissociation is greater.èStronger bases have
  210. larger values ç K╧.èKnowïg ê relative magnitudes ç K╬'s å K╧'s
  211. enables us ë predict which species will act as ê acid or base ï a
  212. mixture ç acids å/or bases.
  213.  6èWhich one ç ê followïg statements is correct for a 
  214. 0.10 M C½H║NH╖ solution?èC╖H║NH╖ + H╖O = C╖H║NH╕ó + OHú,èK╧ = 4.4x10úÅ
  215.  
  216.     A) [C╖H║NH╖] ≈ 0        B) [OHú] ≈ 0.10 M
  217.  
  218.     C) [C╖H║NH╖] > [C╖H║NH╕ó]    D) pH < 7
  219. üèEthylamïe, C╖H║NH╖, is a weak base.èThis means that it dissoc-
  220. iates only slightly.èConsequently ê concentration ç C╖H║NH╖ will be
  221. greater than ê concentration ç its conjugate acid, C╖H║NH╕ó, å will
  222. be close ë its stated concentration ç 0.10 M.
  223. Ç C
  224.  7èWhich 0.10 M solution will be most basic?èK╧ values are ï
  225. èèèèè parenêses.
  226.  
  227. èèèèè A) NH╕ (1.8x10úÉ)        B) CH╕NH╖ (4.8x10úÅ)
  228.  
  229. èèèèè C) (CH╕)╖NH (5.9x10úÅ)    D) (CH╕)╕N (6.3x10úÉ)
  230. üèThe extent ç dissociation ç ê base will be greater when ê
  231. value ç K╧ is greater.èMore dissociation ïcreases ê hydroxide ion
  232. concentration ë a greater extent.èThe most basic solution, when ê
  233. ïitial concentration ç ê base is ê same, occurs with ê base
  234. havïg ê largest K╧ value.èWith ê choices ï this problem, (CH╕)╖NH,
  235. dimethylamïe, has ê largest K╧ å is ê most basic.
  236. Ç C
  237.  8èA 0.400 M piperidïe, C║H╢╡NH, solution has a pH ç 12.35.
  238. What is K╧ for piperidïe?è C║H╢╡NH + H╖O = C║H╢╡NH╖ó + OHú.
  239.  
  240.     èèA) 1.3x10úÄ        B) 4.5x10úîÄ
  241.  
  242.     èèC) 4.8x10úÅ        D) 2.2x10úì
  243. üèTo calculate K╧ we need ê equilibrium concentrations ç ê 
  244. species ï ê equilibrium.èFrom ê pH, you can get ê pOH å ên
  245. ê [OHú].èKnowïg [OHú], you can fïd ê oêr equilibrium concentra-
  246. tions.èpH = 12.35.èpOH = 14 - pH = 14.00-12.35.èpOH = 1.65.
  247. [OHú] = ╢╡-pOH = ╢╡-1.65.è[OHú] = 0.022 M.èFrom ê balanced reaction,
  248. you know that [C║H╢╡NH½ó] = [OHú] = 0.022 M.èYou also know ê concen-
  249. tration ç piperdïe remaïïg, ê ïitial concentration mïus ê con-
  250. centration that formed OHú: [C║H╢╡NH] = 0.400 - 0.022 = 0.378.
  251.  
  252. èè [C║H╢╡NH½ó][OHú]èèèèè(0.022)(0.022)
  253. K╧ = ────────────────.èèK╧ = ──────────────è= 1.3x10úÄ.
  254. èèèè[C║H╢╡NH]èèèèèèèèè(0.378)
  255. Ç A
  256.  9èWhat is ê approximate pH ç a 0.80 M pyridïe solution?
  257. èèèèè C║H║N + H½O = C║H║NHó + OHú,èK╧ = 1.78x10úö.
  258.  
  259.     èèA) 4.42        B) 9.58
  260.  
  261.     èèC) 8.75        D) 8.85
  262. üèTo determïe ê pH. you need ë know eiêr ê [Hó] or ê pOH.
  263. With a base fïdïg ê pOH is easy.èYou know K╧ å ê ïitial concen-
  264. tration ç ê pyridïe.èYou need ë use ê equilibrium constant expres-
  265. sion ë get ê [OHú].èStartïg with ê equilibrium reaction:
  266.     C║H║N + H½O = C║H║NHóè+èOHú.èAt equilibrium ê concentrations
  267. are:è0.80-[OHú]èèè [OHú]èè [OHú]èSubstitutïg ïë ê equilibrium
  268. expression gives
  269. èè [C║H║NHó][OHú]èèè[OHú][OHú]
  270. K╧ = ──────────────.èè ────────── = 1.78x10úö.èèIf [OHú] << 0.80,
  271. èèè [C║H║N]èèèèè 0.80-[OHú]
  272. èèèèí─────────────────
  273. [OHú] = á(0.80)(1.78x10úö) = 3.8x10úÉ.èpOH = 4.42.èpH = 9.58.
  274. Ç B
  275.  10èWhat is ê approximate pH ç a 0.60 M trimethylamïe,
  276. solution?èè(CH╕)╕N + H½O = (CH╕)╕NHó + OHú,èK╧ = 6.3x10úÉ.
  277.  
  278.     èèA) 11.79        B) 9.80
  279.  
  280.     èèC) 12.01        D) 9.58
  281. üèTo determïe ê pH. you need ë know eiêr ê [Hó] or ê pOH.
  282. In basic solutions, you should fïd ê pOH first.èYou know K╧ å ê
  283. ïitial concentration ç ê trimethylamïe.èYou need ë use ê equi-
  284. librium constant expression ë get ê [OHú].èStartïg with ê equili-
  285. brium reaction:èèèè(CH╕)╕N + H½O = (CH╕)╕NHó +èOHú.èAt equilibrium
  286. ê concentrations are: 0.60-[OHú]èèè [OHú]èè [OHú]èSubstitutïg ïë
  287. ê equilibrium expression gives
  288. èè [(CH╕)╕NHó][OHú]èèè[OHú][OHú]
  289. K╧ = ────────────────.èè ────────── = 6.3x10úÉ.èèIf [OHú] << 0.60,
  290. èèèè[(CH╕)╕N]èèèèè0.60-[OHú]
  291. èèèèí─────────────────
  292. [OHú] = á(0.60)(6.3x10úÉ) = 6.1x10úÄ.èpOH = 2.21.èpH = 11.79.
  293. Ç A
  294.  
  295.