FSc Part 1 Chemistry Chapter 9 — Acid-Base Chemistry

Acid-Base Chemistry

Home > PunjabTest.com > FSc Part 1 > Chemistry — all chapters > Chapter 9: Acid-Base Chemistry

اس chapter میں topics (Topics in this chapter)

  1. Bronsted–Lowry Concept — Conjugate Pairs aur Amphoteric Pani
  2. Lewis Concept — Electron-Pair Acceptors aur Donors
  3. Ionic Product of Water Kw — Self-Ionization aur 1.0 × 10⁻¹⁴
  4. pH aur pOH — Logarithmic Scales, pH + pOH = 14, Common Solutions
  5. Ionization Constants Ka — Acid Strength aur [H₃O⁺] ka Hisab
  6. Common Ion Effect — Ionization ka Dab Jana, Teen Misalen
  7. Buffer Solutions — Henderson Equation aur pH ka Hisab
  8. Solubility Product Ksp — Definition, Derivation aur Table 9.5
  9. Ksp ke Applications — Solubility, Common Ion, Precipitation ki Pesh Goi
  10. Salt Hydrolysis — Acidic, Basic aur Neutral Namak ke Mehlool
  11. Indicators aur Titration Curves — Selection aur Equivalence Point
  12. 📝 Official Exercise Questions — with Answers
  13. 📌 Chapter Summary & Guidance
9.1 — Bronsted–Lowry Concept: Acids, Bases, Conjugate Pairs and Amphoteric Substances۹.۱ — برانسٹڈ۔لوری تصور: تیزاب، اساس، ہم مزدوج جوڑے اور دو رخا مادے
🏷 Tags: Bronsted-Lowry, proton donor, proton acceptor, conjugate acid, conjugate base, amphoteric, H3O+, NH4+, Table 9.1
ENGLISH

In 1923, the Danish chemist J.N. Bronsted and the English chemist T.M. Lowry independently expanded the Arrhenius theory, which was limited to water as the solvent. They pointed out that acid–base reactions are proton-transfer reactions, and acids and bases can be defined in terms of the proton (H+) donors and acceptors.

According to the Bronsted–Lowry concept, an acid is the species donating a proton in a proton-transfer reaction and a base is the species accepting the proton.

When HCl dissolves in water, an H+ ion is transferred from HCl to water, where it attaches to a lone pair on the oxygen atom and forms H3O+. HCl (the acid) has donated H+ and H2O (the base) has accepted it:

HCl(g) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + Cl−(aq)

A species formed after a Bronsted base accepts a proton from the acid is called the conjugate acid. The hydronium ion (H3O+) is the conjugate acid of water. A species formed when an acid donates a proton to a base is called the conjugate base. HCl–Cl− and H2O–H3O+ are conjugate acid–base pairs — the two members of a pair differ by exactly one proton.

When ammonia dissolves in water, an H+ released from H2O attaches to the nitrogen lone pair; NH4+ and OH− are formed:

NH3(g) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq)

Here H2O (the acid) has donated the proton and NH3 (the base) has accepted it. NH3–NH4+ and H2O–OH− are conjugate acid–base pairs. So water is amphoteric: it acts as a base in one case and as an acid in the other. An amphoteric substance is a species that can act as either an acid or a base (it can lose or gain a proton), depending on the other reactant.

📌 Note (book's own point): the Bronsted–Lowry theory can be applied to acids in solvents other than water, or even in solventless reactions. Gaseous ammonia and HCl give solid NH4Cl: HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s). HCl acts as an acid because it donates a proton to NH3, and NH3 acts as a base even though no hydroxide ion OH− is present — something the Arrhenius theory could not explain.

Table 9.1 — Conjugate acid–base pairs of common species: HNO3 + H2O ⇌ H3O+ + NO3−; H2SO4 + H2O ⇌ H3O+ + HSO4−; H2O + CO32− ⇌ HCO3− + OH−.

Quick Check 9.1 (solved in brief): (a) Conjugate pairs — (i) HCN/CN− and H2O/H3O+; (ii) CH3COOH/CH3COO− and H2O/H3O+; (iii) H2S/HS− and H2O/H3O+; (iv) HCl/Cl− and HCO3−/H2CO3. (b) Lewis acids/bases — (i) SO3 is the Lewis acid (accepts a pair from O2−, the Lewis base): SO3 + O2− → SO42−; (ii) HCl + H2O → H3O+ + Cl−: H2O is the Lewis base, H+ (from HCl) the Lewis acid; (iii) BF3 + NH3 → F3B←NH3: BF3 is the Lewis acid, NH3 the Lewis base.

URDU

1923 میں ڈنمارک کے کیمیا دان جے۔ این۔ برانسٹڈ اور انگلستان کے ٹی۔ ایم۔ لوری نے آرہینیس نظریے کو وسعت دی، جو صرف پانی کو سالونٹ ماننے تک محدود تھا۔ ان کے مطابق تیزاب۔اساس تعمل پروٹون کی منتقلی (proton-transfer) کا تعمل ہے: تیزاب وہ نوع ہے جو پروٹون (H+) دیتی ہے اور اساس وہ نوع ہے جو پروٹون قبول کرتی ہے۔

جب HCl پانی میں حل ہوتا ہے تو H+ آئن HCl سے پانی کو منتقل ہوتا ہے اور آکسیجن کے lone pair سے جڑ کر H3O+ بناتا ہے۔ یہاں HCl تیزاب ہے اور H2O اساس ہے۔

جب کوئی برانسٹڈ اساس تیزاب سے پروٹون قبول کرتی ہے تو بننے والی نوع ہم مزدوج تیزاب (conjugate acid) کہلاتی ہے — H3O+ پانی کا conjugate acid ہے۔ جب تیزاب پروٹون دیتا ہے تو بننے والی نوع ہم مزدوج اساس (conjugate base) کہلاتی ہے۔ HCl–Cl− اور H2O–H3O+ ہم مزدوج تیزاب۔اساس جوڑے ہیں — جوڑے کے دو ارکان میں صرف ایک پروٹون کا فرق ہوتا ہے۔

امونیا کے پانی میں حل ہونے پر H2O سے نکلا H+ نائٹروجن کے lone pair سے جڑتا ہے اور NH4+ اور OH− بنتے ہیں۔ یہاں H2O تیزاب ہے اور NH3 اساس ہے۔ NH3–NH4+ اور H2O–OH− ہم مزدوج جوڑے ہیں۔ اس سے ثابت ہوتا ہے کہ پانی amphoteric ہے: ایک صورت میں اساس اور دوسری میں تیزاب کا کردار ادا کرتا ہے۔ Amphoteric مادہ وہ ہے جو حالات کے مطابق تیزاب بھی بن سکتا ہے اور اساس بھی (پروٹون دے بھی سکتا ہے اور لے بھی سکتا ہے)۔

📌 نوٹ: برانسٹڈ۔لوری نظریہ پانی کے علاوہ دوسرے سالونٹس اور بغیر سالونٹ کے تعملات پر بھی لاگو ہوتا ہے۔ گیسی امونیا اور HCl سے ٹھوس NH4Cl بنتا ہے، جس میں HCl پروٹون دینے کی وجہ سے تیزاب ہے اور NH3 اساس ہے، حالانکہ اس میں OH− موجود نہیں — آرہینیس نظریہ اس کی وضاحت نہیں کر سکتا تھا۔

جدول 9.1: HNO3/NO3−، H2SO4/HSO4−، اور H2O/OH− (جب H2O، CO32− کو پروٹون دے) ہم مزدوج جوڑوں کی مثالیں ہیں۔

Conjugate pairs — differ by ONE proton (H⁺)Acid: HCl− H⁺ →Conjugate base: Cl⁻Base: H₂O+ H⁺ →Conjugate acid: H₃O⁺NH₃ / NH₄⁺ and H₂O / OH⁻ work the same way

ہم مزدوج جوڑے samjho: تیزاب پروٹون کھو کر اپنی conjugate base بنتا ہے، اور اساس پروٹون لے کر اپنا conjugate acid بنتی ہے — دونوں میں صرف ایک H+ کا فرق ہوتا ہے۔

9.2 — Lewis Concept of Acids and Bases: Electron-Pair Acceptors and Donors۹.۲ — لیوس تصور: الیکٹرون جوڑا قبول کرنے والے اور دینے والے
🏷 Tags: Lewis acid, Lewis base, electron pair, coordinate covalent bond, acid-base adduct, BF3, Ag+, NH3
ENGLISH

In 1923, G.N. Lewis proposed a generalized definition of acid–base behaviour in which acids and bases are identified by their ability to accept or donate a pair of electrons and form a coordinate covalent bond.

A Lewis acid is any species (molecule or ion) that can accept a pair of electrons, and a Lewis base is any species (molecule or ion) that can donate a pair of electrons. A Lewis acid–base reaction occurs when a base donates a pair of electrons to an acid, forming an acid–base adduct.

Example 1 — silver ion and ammonia: each of two ammonia molecules, Lewis bases, donates a pair of electrons to a positively charged silver ion, the Lewis acid. The sum of charges on the left-hand side is +1, so the acid–base adduct on the right-hand side must also carry a charge of +1:

2NH3 + Ag+ → [H3N→Ag←NH3]+

Example 2 — boron trifluoride: the boron atom in BF3 has only six electrons in its valence shell. Since the boron atom has an incomplete octet, it can behave as an electron-pair acceptor. As a result, BF3 is a very good Lewis acid and reacts with many Lewis bases; a fluoride ion is the Lewis base here, donating one of its lone pairs:

F− + BF3 → [BF4]−

The negative charge on the adduct is −1, the sum of charges on the left-hand side (−1 + 0), so charge is conserved. Notice that no proton is transferred in either example: the Lewis concept covers acid–base reactions that the Bronsted–Lowry concept (proton transfer) cannot describe — that is why BF3 and AlCl3 are Lewis acids but not Bronsted–Lowry acids (see MCQ VI).

URDU

1923 میں جی۔ این۔ لیوس نے تیزاب۔اساس رویے کی ایک عام تعریف پیش کی، جس میں تیزاب اور اساس کی پہچان الیکٹرون جوڑا قبول کرنے یا دینے کی صلاحیت سے ہوتی ہے، اور اس سے کوآرڈینیٹ کوویلنٹ بانڈ بنتا ہے۔

لیوس تیزاب وہ نوع (مالیکیول یا آئن) ہے جو الیکٹرون جوڑا قبول کر سکتی ہے، اور لیوس اساس وہ نوع ہے جو الیکٹرون جوڑا دے سکتی ہے۔ جب اساس اپنا جوڑا تیزاب کو دیتی ہے تو تیزاب۔اساس ایڈکٹ (adduct) بنتا ہے۔

مثال 1 — سلور آئن اور امونیا: دو امونیا مالیکیول (لیوس اساس) اپنا اپنا جوڑا مثبت چارج والے سلور آئن (لیوس تیزاب) کو دیتے ہیں۔ بائیں طرف کل چارج +1 ہے، اس لیے دائیں طرف ایڈکٹ کا چارج بھی +1 ہوگا۔

مثال 2 — بوران ٹرائی فلورائیڈ: BF3 میں بوران کے ویلنس شیل میں صرف چھ الیکٹرون ہوتے ہیں۔ آکٹیٹ نامکمل ہونے کی وجہ سے یہ الیکٹرون جوڑا قبول کر سکتا ہے، اس لیے BF3 بہت اچھا لیوس تیزاب ہے۔ فلورائیڈ آئن لیوس اساس کے طور پر اپنا lone pair دیتا ہے اور [BF4]− بنتا ہے۔

ان دونوں مثالوں میں کوئی پروٹون منتقل نہیں ہوتا: لیوس تصور ایسے تیزاب۔اساس تعملات کو بھی بیان کرتا ہے جنہیں برانسٹڈ۔لوری تصور (پروٹون منتقلی) بیان نہیں کر سکتا — اسی لیے BF3 اور AlCl3 لیوس تیزاب ہیں مگر برانسٹڈ۔لوری تیزاب نہیں۔

Lewis: base donates a pair → acid accepts itNH₃ (Lewis base)+ Ag⁺ →[Ag(NH₃)₂]⁺ adductF⁻ (Lewis base)+ BF₃ →[BF₄]⁻ adductArrow = coordinate bond: both shared electrons come from the base

لیوس تصور samjho: اساس اپنا lone pair تیزاب کو دیتی ہے اور کوآرڈینیٹ بانڈ بنتا ہے — پروٹون کی منتقلی ضروری نہیں ہوتی۔

9.3 — Ionic Product of Water (Kw): Self-Ionization and the Value 1.0 × 10⁻¹⁴۹.۳ — پانی کا آئنی حاصل ضرب (Kw): خود آئن سازی اور قدر 1.0 × 10⁻¹⁴
🏷 Tags: ionic product of water, Kw, self-ionization, hydronium, neutral water, temperature effect, Table 9.2
ENGLISH

Pure water is a poor conductor of electricity but its conductance is measurable. Water undergoes self-ionization reversibly:

H2O(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq)

Net reaction: H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH−(aq)

The equilibrium constant for this reaction can be written as Kc = [H+][OH−]/[H2O] = 1.8 × 10−16 mol dm−3. The concentration of H2O in pure water is 1000 g dm−3 divided by 18 g mol−1, giving 55.5 mol dm−3. Since water is present in very large excess and very few of its molecules undergo ionization, its concentration remains effectively constant. That constant concentration is taken to the left-hand side and multiplied with Kc to give another constant called Kw:

Kw = Kc[H2O] = [H+][OH−] = 1.8 × 10−16 × 55.5 = 1.01 × 10−14 at 25 °C

Kw is called the ionic product of water or the dissociation constant of water. Its value increases almost 75 times when temperature is increased from 0 °C to 100 °C (Table 9.2: 0 °C → 0.11 × 10−14; 10 °C → 0.30 × 10−14; 25 °C → 1.0 × 10−14; 40 °C → 3.00 × 10−14; 100 °C → 7.5 × 10−14).

For neutral water, [H+] = [OH−], so [H+][H+] = 10−14 and [H+]2 = 10−14 (at 25 °C), giving [H+] = 10−7 mol dm−3 and [OH−] = 10−7 mol dm−3.

When some quantity of acid or base is added to water, Kw remains the same, but [H+] and [OH−] are no longer equal: adding a small amount of acid gives [H+] > [OH−]; adding a few drops of a base gives [OH−] > [H+]. During both additions, Kw remains 10−14 at 25 °C.

URDU

خالص پانی بجلی کا کمزور موصل ہے مگر اس کی conductance ناپی جا سکتی ہے۔ پانی خود آئن سازی (self-ionization) کرتا ہے: ایک پانی کا مالیکیول دوسرے کو پروٹون دیتا ہے اور H3O+ اور OH− بنتے ہیں۔

اس تعمل کا equilibrium constant Kc = [H+][OH−]/[H2O] = 1.8 × 10−16 mol dm−3 ہے۔ خالص پانی میں H2O کی concentration 1000 ÷ 18 = 55.5 mol dm−3 ہوتی ہے۔ چونکہ پانی بہت زیادہ مقدار میں موجود ہے اور اس کے بہت کم مالیکیول آئن بنتے ہیں، اس لیے اس کی concentration تقریباً مستقل رہتی ہے۔ اس مستقل قدر کو Kc سے ضرب دے کر ایک نیا مستقل Kw حاصل ہوتا ہے: Kw = [H+][OH−] = 1.01 × 10−14 (25 °C پر)۔

Kw کو پانی کا آئنی حاصل ضرب یا پانی کا dissociation constant کہتے ہیں۔ درجہ حرارت 0 °C سے 100 °C تک بڑھانے پر اس کی قدر تقریباً 75 گنا بڑھ جاتی ہے (جدول 9.2: 0 °C پر 0.11 × 10−14، 25 °C پر 1.0 × 10−14، 100 °C پر 7.5 × 10−14)۔

غیر جانبدار (neutral) پانی میں [H+] = [OH−] ہوتا ہے، اس لیے 25 °C پر دونوں 10−7 mol dm−3 ہوتے ہیں۔ تیزاب ملانے پر [H+] > [OH−] اور اساس ملانے پر [OH−] > [H+] ہو جاتا ہے، مگر Kw 25 °C پر 10−14 ہی رہتا ہے۔

Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ at 25 °CH₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻Neutral water: [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol dm⁻³Acid added: [H⁺] > [OH⁻]  |  Base added: [OH⁻] > [H⁺]

Kw samjho: پانی کی بہت بڑی concentration (55.5 mol dm−3) کو Kc میں ضم کر کے Kw بنایا جاتا ہے — اس لیے Kw صرف درجہ حرارت سے بدلتا ہے، تیزاب یا اساس ملانے سے نہیں۔

9.4 — pH and pOH: The Logarithmic Scales, pH + pOH = 14, and Common Solutions۹.۴ — pH اور pOH: لوگارتھمی پیمانے، pH + pOH = 14، اور عام محلول
🏷 Tags: pH, pOH, Sorensen, negative logarithm, Figure 9.1, Sample Problems 9.1 and 9.2, Quick Check 9.2
ENGLISH

In all the aqueous solutions, the concentrations of H+ and OH− ions are too low to be conveniently expressed and used in calculations. In 1909, Sorensen, a Danish biochemist, introduced the term pH and pOH. So, the scales of pH and pOH were developed:

pH = −log[H+]    and    pOH = −log[OH−]

For neutral water, pH = −log[10−7] = 7 and pOH = −log[10−7] = 7. Also, pH + pOH = 14. The value of pH normally varies between 0 → 14 at 25 °C.

📌 Interesting Information (book's own note): solutions of negative pH and having values more than 14 are also known — the 0–14 range is the normal range, not an absolute limit.

Figure 9.1 — pH values of some common substances: HCl (1.0 M, pH 0.0), stomach acid (pH 1.0–3.0), lemon juice (pH 2.2–2.4), vinegar (pH 2.4–3.4), carbonated water (pH 3.9), beer (pH 4.0–4.5), milk (pH 6.4), blood (pH 7.4), seawater (pH 7.0–8.5), baking soda (0.1 M, pH 8.4), milk of magnesia (pH 10.5), household ammonia (pH 11.9), NaOH (1.0 M, pH 14.0).

Sample Problem 9.1: In a solution, the pH is 9.2. Determine the ionic product of water, Kw, at 25 °C. Solution: pOH = 14 − pH = 14 − 9.2 = 4.8. Taking antilog: [H+] = 10−9.2 ≈ 6.3 × 10−10 M; [OH−] = 10−4.8 ≈ 1.6 × 10−5 M. Kw = [H+][OH−] = (6.3 × 10−10)(1.6 × 10−5) = 1.01 × 10−14. (The book prints the antilog steps with the minus signs dropped in typesetting — "10pH" and "109.2" — the values used, 6.3 × 10−10 and 1.6 × 10−5, show the intended 10−pH and 10−pOH; corrected here.)

Sample Problem 9.2: Kw = 1.0 × 10−14 at 25 °C; [H+] = 1.0 × 10−7 M. Find [OH−], pH and pOH. Solution: [OH−] = Kw/[H+] = 1.0 × 10−14/1.0 × 10−7 = 1.0 × 10−7 M; pH = −log(1.0 × 10−7) = 7; pOH = −log(1.0 × 10−7) = 7. The solution is neutral, as expected.

Quick Check 9.2 (solved in brief): (a) Mixing equal volumes of pH 4.0 and pH 10.0 solutions: the pH 4.0 solution has [H+] = 10−4 M and the pH 10.0 solution has [OH−] = 10−4 M; equal volumes neutralize each other, so the mixture is neutral and Kw = 1.0 × 10−14 at 25 °C (Kw does not change on mixing). (b) Kw = 1.0 × 10−14, [OH−] = 2.5 × 10−5 M: [H+] = 1.0 × 10−14/2.5 × 10−5 = 4.0 × 10−10 M; pH = −log(4.0 × 10−10) ≈ 9.4. (c) 0.30 M HNO3 (strong acid, fully dissociated): [H+] = 0.30 M; pH = −log(0.30) ≈ 0.52; [OH−] = 1.0 × 10−14/0.30 ≈ 3.3 × 10−14 M; pOH = 14 − 0.52 = 13.48.

URDU

پانی والے محلولوں میں H+ اور OH− کی concentrations اتنی کم ہوتی ہیں کہ انہیں براہ راست لکھنا اور حساب میں استعمال کرنا مشکل ہوتا ہے۔ 1909 میں ڈنمارک کے بائیو کیمسٹ سورینسن نے pH اور pOH کی اصطلاح متعارف کرائی: pH = −log[H+] اور pOH = −log[OH−]۔

غیر جانبدار پانی کے لیے pH = 7 اور pOH = 7 ہوتا ہے، اور pH + pOH = 14۔ عام طور پر 25 °C پر pH کی قدر 0 سے 14 کے درمیان ہوتی ہے۔

📌 دلچسپ معلومات: منفی pH والے اور 14 سے زیادہ قدر والے محلول بھی موجود ہیں — 0 تا 14 صرف عام حد ہے، حتمی حد نہیں۔

شکل 9.1 — عام چیزوں کی pH: تیزاب سب سے بائیں (HCl pH 0، معدے کا تیزاب 1 تا 3، لیموں 2.2 تا 2.4، سرکہ 2.4 تا 3.4)، درمیان میں غیر جانبدار (پانی/خون 7 تا 7.4)، اور دائیں طرف اساس (بیکنگ سوڈا 8.4، میگنیشیا کا دودھ 10.5، گھریلو امونیا 11.9، NaOH pH 14)۔

نمونہ مسئلہ 9.1: pH = 9.2 ہو تو Kw نکالیں۔ حل: pOH = 14 − 9.2 = 4.8؛ [H+] ≈ 6.3 × 10−10 M؛ [OH−] ≈ 1.6 × 10−5 M؛ Kw = 1.01 × 10−14۔ (کتاب کی چھپائی میں antilog کے منفی نشان چھوٹ گئے ہیں، مگر دی گئی قدریں درست 10−pH کی ہیں، یہاں درست کر کے لکھا گیا ہے۔)

نمونہ مسئلہ 9.2: [H+] = 1.0 × 10−7 M ہو تو [OH−] = 1.0 × 10−7 M، pH = 7، pOH = 7 — محلول neutral ہے۔

pH scale with everyday substances

pH scale samjho: بائیں طرف تیزاب (pH کم)، درمیان میں neutral (pH 7)، دائیں طرف اساس (pH زیادہ) — pH میں 1 کا فرق concentration میں 10 گنا فرق ہوتا ہے۔

9.5 — Ionization Constants of Acids (Ka) and Calculating [H₃O⁺] from Ka۹.۵ — تیزابوں کے آئن سازی مستقل (Ka) اور Ka سے [H₃O⁺] کا حساب
🏷 Tags: Ka, dissociation constant, weak acid, strong acid, Table 9.3, approximation x = sqrt(Ka x C), Sample Problem 9.3, Quick Check 9.3
ENGLISH

Acids and bases, when dissolved in water, may or may not be completely dissociated. Many acids are weak electrolytes and ionize to an extent which is much less than 100%. The value of Kc, called the dissociation constant of an acid, is the quantitative measure of the strength of the acid.

For an acid HA dissolved in water: HA + H2O ⇌ H3O+ + A−. The equilibrium expression, with the constant [H2O] absorbed, gives Ka = [H3O+][A−]/[HA]. This equation is used to calculate Ka for any acidic solution if we know the pH or [H+] and the initial concentration of the acid, and to calculate the equilibrium concentration of H3O+ and A− if we know the initial concentration and Ka.

Strength rule (book): when Ka < 10−3, the acid is weak; Ka = 1 to 10−3, moderately strong; Ka > 1, strong.

Table 9.3 — Ka values of some acids: HCl very large (106, very strong); HNO3 very large (103, very strong); H2SO4 very large (103, very strong, first step); HSO4− 1.3 × 10−2 (strong); HF 6.7 × 10−5 (weak); CH3COOH 1.85 × 10−5 (weak); H2CO3 4.4 × 10−7 (weak); H2S 1.0 × 10−7 (weak); NH4+ 5.7 × 10−10 (weak); HCO3− 4.7 × 10−11 (weak); H2O 1.8 × 10−16 (very weak). Larger Ka means a stronger acid — and, as Short Q(d) asks, a weaker conjugate base.

9.5.1 Calculating H3O+ ions from Ka: weak acids do not completely dissociate, so [H3O+] is not equal to the initial concentration. Let the initial concentration of HA be C mol dm−3. At equilibrium: [H3O+] = x, [A−] = x, [HA] = C − x. So Ka = x²/(C − x). For weak acids, x is usually very small compared to C, so C − x ≈ C, and Ka ≈ x²/C, giving x ≈ √(Ka × C) — the concentration of H3O+.

Sample Problem 9.3: Calculate [H3O+] in a 0.1 M solution of acetic acid, Ka = 1.8 × 10−5. Solution: [H3O+] ≈ √(1.8 × 10−5 × 0.1) = √(0.18 × 10−5) ≈ 1.34 × 10−3 mol dm−3. (The book prints "1.34 ⊗ 10−3" with a misprinted symbol; the value is 1.34 × 10−3.)

Quick Check 9.3 (solved in brief): (a) 0.10 M formic acid HCOOH, pH 2.38: [H+] = 10−2.38 ≈ 4.17 × 10−3 M; Ka = [H+]²/(C − [H+]) ≈ (4.17 × 10−3)²/0.0958 ≈ 1.8 × 10−4. (b) 0.1 M HNO2, Ka = 4 × 10−4: [H3O+] ≈ √(4 × 10−4 × 0.1) = √(4 × 10−5) ≈ 6.3 × 10−3 mol dm−3. (c) Vinegar: 0.837 M CH3COOH, [H3O+] = 3.86 × 10−3 mol dm−3: Ka = (3.86 × 10−3)²/(0.837 − 0.00386) ≈ 1.79 × 10−5 (≈ the book's 1.85 × 10−5).

URDU

تیزاب پانی میں حل ہو کر مکمل طور پر بھی ٹوٹ سکتے ہیں اور نہیں بھی۔ بہت سے تیزاب کمزور الیکٹرولائٹ ہوتے ہیں اور 100 فیصد سے بہت کم حد تک آئن بناتے ہیں۔ Kc کی قدر، جسے تیزاب کا dissociation constant کہتے ہیں، تیزاب کی طاقت کا عددی پیمانہ ہے۔

تیزاب HA کے لیے: HA + H2O ⇌ H3O+ + A−، اور Ka = [H3O+][A−]/[HA]۔ اس مساوات سے pH معلوم ہو تو Ka نکالا جا سکتا ہے، اور Ka اور شروع کی concentration معلوم ہو تو [H3O+] نکالا جا سکتا ہے۔

طاقت کا اصول: Ka < 10−3 ہو تو تیزاب کمزور؛ Ka = 1 تا 10−3 ہو تو درمیانی طاقت؛ Ka > 1 ہو تو مضبوط۔ جدول 9.3: HCl، HNO3، H2SO4 بہت مضبوط؛ HSO4− مضبوط؛ HF، CH3COOH، H2CO3، H2S، NH4+، HCO3− کمزور؛ H2O بہت کمزور۔ Ka جتنا بڑا، تیزاب اتنا مضبوط — اور اس کی conjugate base اتنی ہی کمزور۔

۹.۵.۱ — Ka سے [H3O+] نکالنا: کمزور تیزاب مکمل طور پر نہیں ٹوٹتا، اس لیے [H3O+] شروع کی concentration کے برابر نہیں ہوتا۔ اگر شروع کی concentration C ہو اور equilibrium پر [H3O+] = x ہو تو Ka = x²/(C − x)۔ کمزور تیزاب کے لیے x بہت چھوٹا ہوتا ہے، اس لیے C − x ≈ C، اور x ≈ √(Ka × C)۔

نمونہ مسئلہ 9.3: 0.1 M ایسیٹک ایسڈ (Ka = 1.8 × 10−5) میں [H3O+] ≈ √(1.8 × 10−5 × 0.1) ≈ 1.34 × 10−3 mol dm−3۔

Bigger Ka = stronger acid = weaker conjugate baseHCl, HNO₃: Ka very large → very strongHF 6.7×10⁻⁵, CH₃COOH 1.85×10⁻⁵ → weakH₂O 1.8×10⁻¹⁶ → very weakWeak acid: x ≈ √(Ka × C) because x ≪ C

Ka samjho: Ka تیزاب کی طاقت کا پیمانہ ہے — Ka بڑا ہو تو تیزاب مضبوط اور اس کی conjugate base کمزور ہوتی ہے۔

9.6 — Common Ion Effect: Suppression of Ionization, with Three Examples۹.۶ — کامن آئن اثر: آئن سازی کا دب جانا، تین مثالوں کے ساتھ
🏷 Tags: common ion effect, suppression of ionization, NaCl purification, KClO3, H2S, NH4Cl, group reagent, salt analysis
ENGLISH

The suppression of ionization of a weak electrolyte by adding a common ion to it is called the common ion effect. We are familiar with purification of sodium chloride by passing hydrogen chloride gas through brine (saturated solution of NaCl).

Sodium chloride is fully ionized in the solution: NaCl(s) ⇌ Na+(aq) + Cl−(aq), with Kc = [Na+][Cl−]/[NaCl]. HCl also ionizes in solution: HCl(g) ⇌ H+(aq) + Cl−(aq). On passing HCl gas, the concentration of Cl− ion is increased, therefore NaCl crystallizes out of the solution to maintain the constant value of the equilibrium constant. The addition of a common ion to the solution of a less soluble electrolyte suppresses its ionization and the concentration of unionized species increases, which may come out as a precipitate: Na+(aq) + Cl−(aq) ⇌ NaCl(s).

More examples of common ion effect:

(i) The solubility of a less soluble salt KClO3 in water is suppressed by the addition of a more soluble salt KCl by common ion effect. K+ is a common ion. The ionization of KClO3 is suppressed and it settles down as precipitate: KClO3(s) ⇌ K+(aq) + ClO3−(aq); KCl(s) ⇌ K+(aq) + Cl−(aq).

(ii) Similarly, the dissociation of a weak acid H2S in water can be suppressed by the addition of stronger acid HCl. H+ is a common ion. H2S becomes less dissociated in acidic solution. In this way, low concentration of S2− ion is produced. This low concentration of S2− ions helps to do the precipitation of radicals of II group basic radicals during salt analysis: H2S(g) ⇌ 2H+(aq) + S2−(aq); HCl(aq) ⇌ H+(aq) + Cl−(aq).

(iii) An addition of NH4Cl in NH3 solution suppresses the concentration of OH− due to the presence of a large excess of NH4+ from NH4Cl. Actually, NH4Cl is a strong electrolyte. The combination of these two substances is used as a group reagent in III group basic radicals: NH4Cl(aq) ⇌ NH4+(aq) + Cl−(aq); NH3 + H2O(aq) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq).

Common ion effect finds many applications in the qualitative analysis and the preparation of buffers (the next section).

URDU

کامن آئن اثر (common ion effect) یہ ہے کہ کسی کمزور الیکٹرولائٹ میں اس کا مشترکہ آئن (common ion) شامل کرنے سے اس کی آئن سازی دب جاتی ہے۔ اس کی مشہور مثال نمک کی صفائی ہے: brine (NaCl کا سیر شدہ محلول) میں HCl گیس گزارنے سے NaCl کرسٹل کی صورت میں باہر آ جاتا ہے۔

وجہ یہ ہے کہ HCl سے Cl− کی concentration بڑھ جاتی ہے، تو equilibrium constant کی قدر برقرار رکھنے کے لیے NaCl باہر نکل آتا ہے۔ عام اصول: کم حل پذیر الیکٹرولائٹ کے محلول میں کامن آئن شامل کرنے سے اس کی آئن سازی دب جاتی ہے اور غیر آئن شدہ نوع کی مقدار بڑھ جاتی ہے، جو precipitate کی صورت میں نکل سکتی ہے۔

مزید مثالیں: (1) KClO3 کی حل پذیری KCl ملانے سے دب جاتی ہے، کیونکہ K+ کامن آئن ہے اور KClO3 precipitate ہو جاتا ہے۔ (2) H2S کی dissociation HCl ملانے سے دب جاتی ہے، کیونکہ H+ کامن آئن ہے؛ اس سے S2− کی کم concentration ملتی ہے، جو نمک کے تجزیے میں II گروپ کے basic radicals کی precipitation میں مدد دیتی ہے۔ (3) NH3 کے محلول میں NH4Cl ملانے سے OH− کی concentration دب جاتی ہے، کیونکہ NH4+ زیادہ مقدار میں موجود ہوتا ہے؛ یہ مجموعہ III گروپ کے basic radicals کے لیے group reagent کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔

کامن آئن اثر کے qualitative analysis اور buffers کی تیاری میں بہت سے استعمال ہیں۔

Common ion added → equilibrium shifts LEFTNaCl ⇌ Na⁺ + Cl⁻   (brine, saturated)+ HCl gas → extra Cl⁻ (common ion)Result: NaCl crystallizes out (purification)Same idea: KCl/KClO₃, HCl/H₂S, NH₄Cl/NH₃

کامن آئن اثر samjho: مشترکہ آئن بڑھاؤ تو توازن بائیں طرف جاتا ہے، آئن سازی دب جاتی ہے اور نمک precipitate ہو جاتا ہے۔

9.7 — Buffer Solutions and Calculating the pH of a Buffer (Henderson's Equation)۹.۷ — بفر محلول اور بفر کی pH کا حساب (ہینڈرسن مساوات)
🏷 Tags: buffer solution, acidic buffer, basic buffer, Henderson equation, pKa, acetic acid sodium acetate, NH4OH NH4Cl, Quick Check 9.4
ENGLISH

The solutions which resist the change in their pH when a small amount of an acid or a base is added to them, are called buffer solutions. They have a specific constant value of pH and their pH values do not change on dilution and even keeping for a long time.

Buffer solutions are mostly prepared by mixing two substances:

(i) By mixing a weak acid and its salt with a strong base. Such solutions give acidic buffers with pH less than 7. Mixture of acetic acid and sodium acetate is one of the best examples of acidic buffers.

(ii) By mixing a weak base and its salt with a strong acid. Such solutions will give basic buffers with pH more than 7. Mixture of NH4OH and NH4Cl is one of the best examples of basic buffers.

Take the example of an acidic buffer consisting of CH3COOH and CH3COONa. CH3COOH being a weak electrolyte undergoes very little dissociation. When CH3COONa is added to CH3COOH solution, then the dissociation of CH3COOH is suppressed, due to common ion effect of CH3COO−: CH3COOH(l) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + H3O+(aq); CH3COONa(aq) ⇌ CH3COO−(aq) + Na+(aq).

If one goes on adding CH3COONa in CH3COOH solution, then the added concentrations of CH3COO− decrease the dissociation of CH3COOH and the pH of solution increases. Table 9.4 — Effect of addition of acetate ions on the pH of acetic acid solution: 0.10 M CH3COOH alone: 1.3% dissociated, pH 2.89; + 0.05 M CH3COO−: 0.036%, pH 4.44; + 0.10 M: 0.018%, pH 4.74; + 0.15 M: 0.012%, pH 4.92. Greater the concentration of acetic acid as compared to CH3COONa, lesser is the pH of solution.

Actually, a buffer mentioned above is a large reservoir of CH3COOH and CH3COO− components. When an acid or H3O+ ions are added to this buffer, they will react with CH3COO− to give back acetic acid and hence the pH of the solution will almost remain unchanged. The reason is that CH3COOH being a weak acid will prefer to remain undissociated. Similarly, the buffer solution consisting of NH4Cl and NH4OH, can resist the change of pH and pOH, when acid or base is added from outside. When a base or OH− ions are added in it, they will react with H3O+ to give back H2O and the pH of the solution again will remain almost unchanged.

9.7.1 Calculating the pH of a buffer: Consider a weak acid HA and its salt NaA with a strong base say NaOH. The pH of a buffer solution can be calculated by using Henderson's equation:

pH = pKa − log([Acid]/[Salt])  =  pH = pKa + log([Salt]/[Acid])

This relationship is called Henderson's equation. It shows that two factors evidently govern the pH of a buffer solution: first is the pKa of the acid used and the second is the ratio of the concentrations of the salt and the acid. The best buffer is prepared by taking equal concentration of salt and acid. So, pH is controlled by pKa of the acid. For example, for acetic acid – sodium acetate buffer, if [CH3COOH] = [CH3COONa], then pH = pKa + log(1) = pKa + 0 = pKa = 4.74. It means that the pH of this buffer is just equal to the pKa of the acid.

📌 Interesting Information (book's own note): the body's blood buffering system, involving bicarbonates, helps maintain a stable pH. The compositions of injections are buffered to ensure that no change in blood's pH occur.

Quick Check 9.4 (solved in brief): (a) Common ion effect on solubility: adding a common ion lowers the solubility of a slightly soluble salt (Section 9.6 and 9.8.1b). (b) Saturated AgCl + NaCl solution: (i) the concentration of Ag+ decreases — the common Cl− ion shifts AgCl ⇌ Ag+ + Cl− left and AgCl precipitates; (ii) yes, this is exactly the common ion effect. (c) A buffer maintains pH stability because it is a large reservoir of a weak acid and its conjugate base (or weak base and its conjugate acid): added H3O+ is removed by the base component and added OH− by the acid component, so pH almost does not change. (d) Buffer of 0.50 M HF and 0.45 M F− salt (Ka of HF = 6.8 × 10−4): pKa = −log(6.8 × 10−4) ≈ 3.17; initial pH = 3.17 + log(0.45/0.50) ≈ 3.12. After adding 0.40 g NaOH to 1.0 dm3 (0.40/40 = 0.010 mol): HF falls to 0.49 M and F− rises to 0.46 M, so pH = 3.17 + log(0.46/0.49) ≈ 3.14 — almost unchanged, as a buffer should. (e) Buffer of 0.11 M CH3COONa and 0.09 M CH3COOH (Ka = 1.85 × 10−5): pKa ≈ 4.73; pH = 4.73 + log(0.11/0.09) ≈ 4.82.

URDU

بفر محلول وہ محلول ہیں جو تھوڑا سا تیزاب یا اساس ملانے پر اپنی pH میں تبدیلی کے خلاف مزاحمت کرتے ہیں۔ ان کی pH ایک خاص مستقل قدر رکھتی ہے اور dilution پر یا لمبے عرصے تک رکھنے پر بھی نہیں بدلتی۔

بفر زیادہ تر دو چیزوں کو ملا کر بنائے جاتے ہیں: (1) کمزور تیزاب + مضبوط اساس کے ساتھ اس کا نمک — یہ تیزابی بفر (pH < 7) دیتے ہیں، جیسے ایسیٹک ایسڈ اور سوڈیم ایسیٹیٹ؛ (2) کمزور اساس + مضبوط تیزاب کے ساتھ اس کا نمک — یہ اساسی بفر (pH > 7) دیتے ہیں، جیسے NH4OH اور NH4Cl۔

ایسیٹک ایسڈ۔سوڈیم ایسیٹیٹ بفر میں CH3COO− کا کامن آئن اثر CH3COOH کی dissociation کو دبا دیتا ہے۔ جدول 9.4: صرف 0.10 M CH3COOH کی pH 2.89 ہے، مگر 0.10 M CH3COO− ملانے پر pH 4.74 اور 0.15 M ملانے پر 4.92 ہو جاتی ہے۔ بفر دراصل CH3COOH اور CH3COO− کا بڑا ذخیرہ ہوتا ہے: باہر سے تیزاب آئے تو CH3COO− اسے لے کر واپس ایسیٹک ایسڈ بنا دیتا ہے، اور اساس آئے تو H3O+ سے مل کر پانی بن جاتا ہے — اس لیے pH تقریباً نہیں بدلتی۔

۹.۷.۱ — بفر کی pH کا حساب (ہینڈرسن مساوات): pH = pKa + log([Salt]/[Acid])۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ بفر کی pH دو چیزوں پر منحصر ہے: تیزاب کا pKa اور نمک اور تیزاب کی concentrations کا تناسب۔ بہترین بفر وہ ہے جس میں نمک اور تیزاب کی concentration برابر ہو — تب pH = pKa ہو جاتی ہے (ایسیٹک ایسڈ بفر کے لیے 4.74)۔

📌 دلچسپ معلومات: جسم کے خون کا بفر نظام (بائی کاربونیٹس پر مشتمل) خون کی pH کو مستحکم رکھتا ہے، اور انجیکشن کی compositions کو بھی بفر کیا جاتا ہے تاکہ خون کی pH میں کوئی تبدیلی نہ آئے۔

Buffer solution beakers

بفر samjho: کمزور تیزاب + اس کا نمک (یا کمزور اساس + اس کا نمک) ایک ذخیرہ بناتے ہیں جو باہر سے آنے والے تیزاب یا اساس کو "نگل" لیتا ہے، اس لیے pH تقریباً نہیں بدلتی۔

9.8 — Solubility Product (Ksp): Definition, Derivation and Table of Values۹.۸ — حل پذیری حاصل ضرب (Ksp): تعریف، اخذ اور قدروں کا جدول
🏷 Tags: solubility product, Ksp, sparingly soluble salt, PbSO4, PbCl2, Table 9.5, temperature dependence
ENGLISH

When a soluble ionic compound is dissolved in water, like NaCl, it dissociates completely into ions. But for slightly soluble salts the dissociation is not complete at equilibrium stage. For example, when PbSO4 is shaken with water the solution contains Pb2+, SO42− and undissociated PbSO4. It means an equilibrium exists between solid solute, PbSO4, and the dissolved ions, Pb2+ and SO42−.

Lead sulphate is a well-known sparingly soluble compound and it dissociates to a very small extent like PbCl2: PbSO4(s) ⇌ Pb2+(aq) + SO42−(aq), with Kc = [Pb2+][SO42−]/[PbSO4].

Being a sparingly soluble salt, the concentration of lead sulphate (PbSO4) almost remains constant. Bring [PbSO4] on L.H.S. with Kc: Kc[PbSO4] = [Pb2+][SO42−]; if Kc[PbSO4] = Ksp, then Ksp = [Pb2+][SO42−] = 1.6 × 10−8 at 25 °C.

Ksp is called the solubility product of PbSO4. It is the product of molar solubilities of two ions at equilibrium stage. Similarly, for another sparingly soluble salt, PbCl2, Ksp = [Pb2+][Cl−]2.

Ksp is usually a very small quantity at room temperature. The value of Ksp is temperature dependent. So, the solubility product is the product of the concentrations of ions raised to an exponent equal to the co-efficient of the balanced equation. The value of Ksp is a measure of the dissociation of sparingly soluble salt.

Table 9.5 — Ksp values of some ionic compounds: AgBr 5.0 × 10−13; AgCl 1.8 × 10−10; Al(OH)3 3 × 10−34; BaCO3 1.1 × 10−10; CaCO3 3.3 × 10−9; CaF2 3.2 × 10−11; CuS 8 × 10−34; Fe2S3 1.4 × 10−85; MgCO3 3.5 × 10−8; MnS 3 × 10−11; PbCrO4 2.3 × 10−13; PbSO4 1.6 × 10−8 (each as the product of its ions raised to their coefficients, e.g. [Al3+][OH−]3 for Al(OH)3).

URDU

حل پذیر آئنی مرکب، جیسے NaCl، پانی میں مکمل طور پر آئنوں میں ٹوٹ جاتا ہے۔ مگر تھوڑا حل پذیر نمک equilibrium پر مکمل طور پر نہیں ٹوٹتا۔ مثلاً PbSO4 کو پانی میں ہلانے پر محلول میں Pb2+، SO42− اور غیر حل شدہ PbSO4 تینوں موجود ہوتے ہیں — یعنی ٹھوس نمک اور حل شدہ آئنوں کے درمیان توازن قائم ہوتا ہے۔

لیڈ سلفیٹ مشہور تھوڑا حل پذیر مرکب ہے اور بہت کم حد تک ٹوٹتا ہے، جیسے PbCl2۔ چونکہ تھوڑا حل پذیر نمک کی concentration تقریباً مستقل رہتی ہے، اسے Kc کے ساتھ ملا کر ایک نیا مستقل Ksp بنایا جاتا ہے: Ksp = [Pb2+][SO42−] = 1.6 × 10−8 (25 °C پر)۔

Ksp کو solubility product کہتے ہیں — یہ equilibrium پر آئنوں کی molar solubilities کا حاصل ضرب ہے۔ PbCl2 کے لیے Ksp = [Pb2+][Cl−]2۔ Ksp عام طور پر کمرے کے درجہ حرارت پر بہت چھوٹی قدر ہوتی ہے اور درجہ حرارت پر منحصر ہوتی ہے۔ عام اصول: solubility product آئنوں کی concentrations کا حاصل ضرب ہے، ہر آئن اپنے balanced equation کے coefficient کی طاقت کے ساتھ۔ Ksp کی قدر تھوڑا حل پذیر نمک کی dissociation کا پیمانہ ہے۔

جدول 9.5: AgCl 1.8 × 10−10، CaCO3 3.3 × 10−9، BaCO3 1.1 × 10−10، PbSO4 1.6 × 10−8، CuS 8 × 10−34، Fe2S3 1.4 × 10−85 — جتنا چھوٹا Ksp، اتنا ہی کم حل پذیر نمک (ایک ہی stoichiometry والے نمکوں کا موازنہ کرتے وقت)۔

Solid salt ⇌ dissolved ions (equilibrium)PbSO₄(s) ⇌ Pb²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)Ksp = [Pb²⁺][SO₄²⁻] = 1.6 × 10⁻⁸PbCl₂: Ksp = [Pb²⁺][Cl⁻]² (coefficient = power)Solid's own concentration stays constant, so it is absorbed into Ksp

Ksp samjho: ٹھوس نمک کی concentration تقریباً مستقل ہوتی ہے، اس لیے اسے Kc میں ضم کر کے Ksp بنایا جاتا ہے — صرف حل شدہ آئنوں کا حاصل ضرب بچتا ہے۔

9.8.1 — Applications of Solubility Product: Solubility from Ksp, Common Ion Effect, Predicting Precipitation۹.۸.۱ — حل پذیری حاصل ضرب کے استعمال: Ksp سے حل پذیری، کامن آئن اثر، Precipitation کی پیش گوئی
🏷 Tags: solubility from Ksp, Sample Problem 9.4, Ca(OH)2, common ion and solubility, ionic product, supersaturated, Quick Check 9.5
ENGLISH

(a) Determination of solubility from Ksp: for this purpose, we need the formula of the compound and Ksp value. Then the unknown molar solubility S is calculated and the concentration of the ions is determined. Table 9.6 — Relation between solubility and solubility products of some salts: PbSO4 (2 ions): Ksp 1.69 × 10−4 (as printed; note this table value differs from Table 9.5's 1.6 × 10−8 — the table's own solubility column, 1.3 × 10−4 g dm−3, is in grams, not moles, so the two tables are not directly comparable; see caveat in the exercise section), solubility 1.3 × 10−4 g dm−3; Ca(OH)2 (3 ions): Ksp 6.5 × 10−6, solubility 1.175 × 10−2 g dm−3; CaF2 (3 ions): Ksp 3.2 × 10−11, solubility 2.0 × 10−4 g dm−3; Ag2CrO4 (3 ions): Ksp 2.6 × 10−12, solubility 8.7 × 10−5 g dm−3.

Sample Problem 9.4: Ca(OH)2 is a sparingly soluble compound. Its solubility product is 6.5 × 10−6. Calculate the solubility of Ca(OH)2. Solution: let the solubility be S mol dm−3. Ca(OH)2(aq) ⇌ Ca2+(aq) + 2OH−(aq). The concentration of OH− is double that of Ca2+, so Ksp = [Ca2+][OH−]2 = S × (2S)2 = 4S3. Hence 4S3 = 6.5 × 10−6; S3 = 6.5 × 10−6/4 = 1.625 × 10−6; S = (1.625)1/3 × 10−2 = 1.18 × 10−2 mol dm−3. Hence, at equilibrium, 1.18 × 10−2 mol dm−3 of Ca2+ and 2 × 1.18 × 10−2 = 2.36 × 10−2 mol dm−3 of OH− are present. (The book's ICE table is misprinted — it shows "S + S" for the equilibrium row — but the working and answer use the correct S and 2S; corrected here.)

(b) Common Ion Effect: the presence of a common ion decreases the solubility of a slightly soluble ionic compound. To explain it, consider a saturated solution of PbCrO4, a sparingly soluble ionic salt: PbCrO4(aq) ⇌ Pb2+(aq) + CrO42−(aq). Now add Na2CrO4, a soluble salt. CrO42− is the common ion. It combines with Pb2+ to form more insoluble PbCrO4. So equilibrium is shifted to the left to keep Ksp constant, and solubility falls.

(c) Predicting Precipitation: the solubility product can also help in predicting whether the precipitation of a salt will occur or not. For example, the solubility product of CaSO4 is 2 × 10−5. If we add 10−2 mol dm−3 solution of Ca2+ to 10−2 mol dm−3 solution of SO42− ions at 25 °C (equal volumes, so each concentration halves on mixing): [Ca2+] = [SO42−] = 10−2/2 = 5.0 × 10−3 mol dm−3. Ionic product = (5.0 × 10−3)(5.0 × 10−3) = 2.5 × 10−5 mol2 dm−6 > Ksp of CaSO4. As the ionic product of concentrations is greater than Ksp, therefore CaSO4 will precipitate out.

Rule: ionic product > Ksp → supersaturated → precipitation YES; ionic product = Ksp → saturated → NO; ionic product < Ksp → unsaturated → NO.

Quick Check 9.5 (solved in brief): (a) AgCl, Ksp = 1.77 × 10−10 at 25 °C, in 0.10 M NaCl: the common Cl− ion gives [Ag+] = Ksp/[Cl−] = 1.77 × 10−10/0.10 = 1.77 × 10−9 mol dm−3 — far below its pure-water solubility √(1.77 × 10−10) ≈ 1.33 × 10−5 mol dm−3. (Note: the question's wording "a solution already contains M of 0.10 M AgCl" is garbled in the book; it is read here as 0.10 M NaCl added, matching the Quick Check 9.4 pattern and the chapter's common-ion treatment.) (b) CaSO4 with 10−3 mol dm−3 of each of Ca2+ and SO42− mixed: if these are the concentrations after mixing, ionic product = 10−6 < Ksp (2 × 10−5), so NO precipitation; if they are the pre-mixing concentrations of equal volumes, each halves to 5 × 10−4 and the ionic product 2.5 × 10−7 is still below Ksp — either way, no precipitation. (c) Potassium carbonate solution is basic: (i) CO32− is the conjugate base of the weak acid HCO3−, so it hydrolyses (see Section 9.9.3) and produces OH−, making the solution alkaline; (ii) CO32− + H2O ⇌ HCO3− + OH−.

URDU

(الف) Ksp سے حل پذیری نکالنا: اس کے لیے مرکب کا فارمولا اور Ksp کی قدر چاہیے۔ پھر نامعلوم molar solubility S نکالی جاتی ہے۔ نمونہ مسئلہ 9.4: Ca(OH)2 کا Ksp = 6.5 × 10−6 ہے۔ Ca(OH)2 ⇌ Ca2+ + 2OH−، اس لیے Ksp = S × (2S)2 = 4S3۔ 4S3 = 6.5 × 10−6 سے S = 1.18 × 10−2 mol dm−3۔ equilibrium پر [Ca2+] = 1.18 × 10−2 اور [OH−] = 2.36 × 10−2 mol dm−3۔

(ب) کامن آئن اثر: کامن آئن کی موجودگی تھوڑا حل پذیر آئنی مرکب کی حل پذیری کم کر دیتی ہے۔ PbCrO4 کے سیر شدہ محلول میں Na2CrO4 ملانے سے CrO42− (کامن آئن) Pb2+ سے مل کر مزید PbCrO4 بناتا ہے، توازن بائیں طرف جاتا ہے اور حل پذیری کم ہو جاتی ہے۔

(ج) Precipitation کی پیش گوئی: آئنوں کا حاصل ضرب (ionic product) نکال کر Ksp سے موازنہ کریں: حاصل ضرب > Ksp ہو تو محلول supersaturated ہے اور precipitation ہوگی؛ برابر ہو تو saturated، کوئی precipitation نہیں؛ کم ہو تو unsaturated، کوئی precipitation نہیں۔ CaSO4 کی مثال میں ionic product 2.5 × 10−5، Ksp 2 × 10−5 سے زیادہ ہے، اس لیے CaSO4 precipitate ہو جاتا ہے۔

Ionic product vs Ksp decides precipitationIonic product > Ksp → supersaturated → YES, precipitateIonic product = Ksp → saturated → NOIonic product < Ksp → unsaturated → NOExample: CaSO₄ ionic product 2.5×10⁻⁵ > Ksp 2×10⁻⁵ → precipitates

Precipitation ka usool samjho: آئنوں کا حاصل ضرب Ksp سے زیادہ ہو تو نمک باہر نکل آتا ہے، ورنہ نہیں — یہی قاعدہ common ion سے حل پذیری کم ہونے کی بھی وضاحت کرتا ہے۔

9.9 — Salt Hydrolysis: Why Some Salt Solutions Are Acidic or Basic۹.۹ — نمک کی ہائیڈرولیسس: بعض نمکوں کے محلول تیزابی یا اساسی کیوں ہوتے ہیں؟
🏷 Tags: salt hydrolysis, strong acid strong base, strong acid weak base, weak acid strong base, weak acid weak base, NH4Cl, sodium acetate, ammonium acetate
ENGLISH

When a salt dissolves in water, it dissociates into its constituent ions. These ions can interact with water, affecting the solution's pH depending on the nature of the acid and base from which the salt is derived. This reaction of an ion with water is called hydrolysis (the book uses the term in the SLO and in 9.9; the ion "reacts with water" to give H3O+ or OH−).

9.9.1 Salts of strong acids and strong bases: for salts derived from strong acids and strong bases (e.g. sodium chloride, NaCl), the conjugate base of a strong acid (e.g. Cl− from HCl) is very weak and does not significantly react with water. The conjugate acid of a strong base (e.g. Na+ from NaOH) is also very weak and does not significantly react with water: NaCl(s) ⇌ Na+(aq) + Cl−(aq). Na+ is the conjugate acid of NaOH (a strong base) and does not affect the pH. Cl− is the conjugate base of HCl (a strong acid) and does not affect the pH. The solution remains neutral.

9.9.2 Salts of strong acids and weak bases: for salts derived from strong acids and weak bases (e.g. ammonium chloride, NH4Cl), the conjugate base of the strong acid (e.g. Cl−) does not react with water. The conjugate acid of the weak base (e.g. NH4+ from NH3) reacts with water to produce H3O+ ions, making the solution acidic: NH4Cl(s) ⇌ NH4+(aq) + Cl−(aq); NH4+(aq) + H2O(l) ⇌ NH3(g) + H3O+(aq). The solution is acidic due to the NH4+ ion.

9.9.3 Salts of weak acids and strong bases: the example is sodium acetate. CH3COONa(s) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + Na+(aq). CH3COO− is the conjugate base of CH3COOH (a weak acid) and reacts with water: CH3COO−(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COOH(aq) + OH−(aq). Na+ is the conjugate acid of NaOH (a strong base) and does not affect the pH. The solution is basic due to the CH3COO− ion. (This is also why potassium carbonate solution is alkaline — Quick Check 9.5c: CO32− hydrolyses the same way.)

9.9.4 Salts of weak acids and weak bases: for salts derived from weak acids and weak bases (e.g. ammonium acetate, CH3COONH4), both the conjugate acid (NH4+) and the conjugate base (CH3COO−) affect the pH: NH4CH3COO(aq) ⇌ NH4+(aq) + CH3COO−(aq); NH4+ hydrolyses to produce H3O+: NH4+(aq) + H2O(l) ⇌ NH3(aq) + H3O+(aq); CH3COO− hydrolyses to produce OH−: CH3COO−(aq) + H2O(aq) ⇌ CH3COOH(aq) + OH−(aq). The resultant pH of the solution depends on the relative strengths of the conjugate acid and conjugate base. The solution may be acidic, basic, or nearly neutral, depending on which reaction is more dominant.

📌 Interesting Information (book's own note, p. 200): the shell of the nautilus is composed mainly of calcium carbonate. The nautilus adjusts conditions so shell material is formed when the concentration of calcium ions and carbonate ions in seawater are high enough to precipitate calcium carbonate — a real-life Ksp/precipitation story.

URDU

جب نمک پانی میں حل ہوتا ہے تو وہ اپنے آئنوں میں ٹوٹ جاتا ہے۔ یہ آئن پانی سے تعامل کر سکتے ہیں اور محلول کی pH کو متاثر کرتے ہیں — یہ اس بات پر منحصر ہے کہ نمک کس تیزاب اور کس اساس سے بنا ہے۔ آئن کا پانی سے یہ تعامل ہائیڈرولیسس (hydrolysis) کہلاتا ہے۔

۹.۹.۱ — مضبوط تیزاب + مضبوط اساس کے نمک: جیسے NaCl۔ HCl کی conjugate base (Cl−) بہت کمزور ہے اور پانی سے تعامل نہیں کرتی، اور NaOH کا conjugate acid (Na+) بھی بہت کمزور ہے — محلول neutral رہتا ہے۔

۹.۹.۲ — مضبوط تیزاب + کمزور اساس کے نمک: جیسے NH4Cl۔ Cl− پانی سے تعامل نہیں کرتا، مگر NH3 کا conjugate acid (NH4+) پانی سے مل کر H3O+ بناتا ہے — محلول تیزابی ہوتا ہے۔

۹.۹.۳ — کمزور تیزاب + مضبوط اساس کے نمک: جیسے سوڈیم ایسیٹیٹ۔ CH3COO−، جو کمزور تیزاب CH3COOH کی conjugate base ہے، پانی سے مل کر OH− بناتی ہے — محلول اساسی ہوتا ہے۔ اسی وجہ سے پوٹاشیم کاربونیٹ کا محلول بھی اساسی ہوتا ہے۔

۹.۹.۴ — کمزور تیزاب + کمزور اساس کے نمک: جیسے امونیم ایسیٹیٹ۔ یہاں NH4+ H3O+ بناتا ہے اور CH3COO− OH− بناتی ہے — حتمی pH اس بات پر منحصر ہے کہ conjugate acid زیادہ مضبوط ہے یا conjugate base؛ محلول تیزابی، اساسی یا تقریباً neutral ہو سکتا ہے۔

Salt hydrolysis — who reacts with water?Strong acid + strong base (NaCl) → NEUTRALStrong acid + weak base (NH₄Cl) → ACIDIC (NH₄⁺)Weak acid + strong base (CH₃COONa) → BASIC (CH₃COO⁻)Weak acid + weak base → depends on which is stronger

نمک کی ہائیڈرولیسس samjho: مضبوط سے بنا آئن پانی سے تعامل نہیں کرتا، کمزور سے بنا آئن کرتا ہے — اسی سے محلول تیزابی یا اساسی بنتا ہے۔

9.10 — Acid–Base Indicators, Selecting a Suitable Indicator, and Titration Curves۹.۱۰ — تیزاب۔اساس انڈیکیٹرز، موزوں انڈیکیٹر کا انتخاب، اور ٹائٹریشن وکر
🏷 Tags: indicator, endpoint, equivalence point, titration curve, methyl orange, phenolphthalein, methyl red, Table 9.7, Quick Check 9.6
ENGLISH

An indicator is a substance that changes colour to mark a titration's endpoint. Acid–base indicators exhibit one colour in acid and another in base. Most indicators used in acid–base titration are weak organic acids or bases. In solution, a weak-acid indicator (HIn) can be represented by the following equilibrium: HIn ⇌ H+ + In−. In− is the symbol of the anion part of the indicator. Because the reaction is reversible, both HIn and In− are present. The colours displayed result from the fact that HIn and In− have different colours.

In acidic solutions, any In− ions that are present act as Bronsted bases and accept protons from the acid. The indicator is then present in largely unionized form, HIn. In basic solutions, the OH− ions from the base combine with the H+ ions produced by the indicator. The indicator molecules further ionize to equalize the loss of H+ ions. The indicator is thus present largely in the form of its anion, In−. The solution now shows the base-indicating colour, which for litmus is blue. Figure 9.2 shows unionized and ionized acid–base indicators and their ionized forms existing in an equilibrium.

Different indicators change colour at different pH values. The colour depends on the relative amounts of HIn and In− at a given pH. For example, methyl red changes from red to yellow between pH 4.4 and 6.2. At pH 4.4, the indicator exists mostly as HIn molecules, which appear red in the solution. Figure 9.3 — Range and colour changes of some common acid–base indicators: methyl orange (red → yellow) and phenolphthalein (colourless → pink/red) across the pH scale.

9.10.1 Selecting a suitable indicator: the two general criteria for an indicator to be used in a titration are: (i) the pH at the end of the titration should be close to the indicator's neutral point; (ii) the indicator should indicate a sharp colour change near the equivalence point of the titration. Each pH indicator changes colour over a defined range of pH, known as its range. An indicator changes colour over a range of about 2 pH units.

9.10.2 Titration curve and equivalence point: a pH curve is a graph of the pH of the solution versus the volume of titrant added. The equivalence point is the point at which the amount of titrant added is just enough to neutralize the analyte solution completely. Titration curves show how the pH of an acidic or basic solution changes as a basic or acidic solution is added to it. We can use the titration curve to choose an indicator that will show when the titration is complete and we reach the equivalence point. The end point of the titration occurs when the indicator changes colour. We choose an indicator with an end point close to the equivalence point.

1. Strong acid–strong base titration curve (Figure 9.4, HCl with NaOH): initially, the solution contains only the strong acid. Since the acid is strong, it completely dissociates, leading to a high concentration of H+ ions and the pH is very low. As NaOH is added, OH− ions from NaOH begin to neutralize the H+ ions from HCl and pH of the solution rises. The equivalence point is reached when the amount of OH− added is stoichiometrically equal to the amount of H+ originally present in the acid. The pH at the equivalence point in a strong acid–strong base titration is 7.0. The titration curve at this stage shows a steep rise in pH, changing quickly from acidic to neutral. The pH value at the endpoint changes about from 4.0 to 10.0. These titrations have a pH of 7.0 at equivalence, so, such phenolphthalein as indicator can be used as they show different colours in this range.

2. Strong acid–weak base titration curve (Figure 9.5, HCl with aqueous NH3): initially, the solution contains only the weak base and it only partially dissociates, with a lower concentration of OH− ions compared to a strong base. The initial pH will be greater than 7 but lower than the pH of a strong base. As HCl is added, the concentration of OH− decreases, causing a further decrease in pH. Before reaching the equivalence point, the solution is in a buffer-like region where the pH changes more gradually. The presence of the weak base and its conjugate acid (from the salt formed) creates a buffering effect, which helps to moderate the pH change as acid is added. The pH at the equivalence point will be less than 7 (pH = 5.27) because the conjugate acid slightly dissociates, releasing H+ ions making the solution acidic (NH4+ → NH3 + H+). After the equivalence point, the pH of the solution decreases rapidly. This is because the strong acid dissociates completely in water, providing a high concentration of hydrogen ions (H+), which significantly lowers the pH. Methyl orange has its colour change in this range, therefore, it can be used as an indicator for strong acid–weak base titrations.

Table 9.7 — pH ranges of common indicators: methyl orange: acid colour orange, base colour yellow, pH range 3.2–4.5, type of titration strong acid–strong base / strong acid–weak base; phenolphthalein: acid colour colourless, base colour red, pH range 8.2–10.0, type of titration strong acid–strong base.

Quick Check 9.6 (solved in brief): (a) End point vs equivalence point: the equivalence point is the stoichiometric point — titrant just enough to neutralize the analyte completely (Section 9.10.2); the end point is the experimental point where the indicator changes colour. A good titration chooses an indicator whose end point is close to the equivalence point, but the two are not the same thing. (b) An indicator changes colour because its two forms, HIn and In−, have different colours, and the acid/base shifts the HIn ⇌ H+ + In− equilibrium: in acid it is mostly HIn (acid colour), in base mostly In− (base colour). (c) Weak acid–strong base titration: the equivalence point is basic (pH > 7, by the mirror image of the strong acid–weak base case — the conjugate base of the weak acid makes the solution basic), so an indicator changing in the basic range, phenolphthalein (8.2–10.0), is suitable. ⚠️ The book gives no dedicated strong-acid/weak-base-style worked curve for weak acid–strong base titrations; this answer is derived from the chapter's own hydrolysis rule (Section 9.9.3: the conjugate base of a weak acid gives OH−) and the indicator-range rule, and is flagged as derived. (d) Weak acid–weak base titration: ⚠️ the book gives no dedicated treatment of this case — there is no sharp pH jump at equivalence and no indicator range in Table 9.7 covers it, so no indicator from the chapter's table can be recommended with confidence; this is stated honestly rather than inventing one. (In general practice such titrations have no sharp endpoint, which is why the book's table omits them.)

URDU

انڈیکیٹر وہ مادہ ہے جو ٹائٹریشن کے end point کی نشاندہی کے لیے رنگ بدلتا ہے۔ تیزاب۔اساس انڈیکیٹرز تیزاب میں ایک رنگ اور اساس میں دوسرا رنگ دکھاتے ہیں۔ زیادہ تر انڈیکیٹرز کمزور نامیاتی تیزاب یا اساس ہوتے ہیں۔ کمزور تیزاب انڈیکیٹر (HIn) کا توازن: HIn ⇌ H+ + In−۔ HIn اور In− کے رنگ مختلف ہوتے ہیں، اسی لیے رنگ بدلتا ہے۔

تیزابی محلول میں In− برانسٹڈ اساس کے طور پر پروٹون قبول کرتا ہے، تو انڈیکیٹر زیادہ تر غیر آئن شدہ شکل HIn میں ہوتا ہے۔ اساسی محلول میں OH−، انڈیکیٹر سے نکلے H+ سے مل جاتا ہے، تو انڈیکیٹر مزید آئن بنتا ہے اور زیادہ تر In− کی شکل میں ہوتا ہے — محلول اساسی رنگ دکھاتا ہے (لٹمس کے لیے نیلا)۔

مختلف انڈیکیٹرز مختلف pH پر رنگ بدلتے ہیں۔ مثلاً میتھائل ریڈ pH 4.4 سے 6.2 کے درمیان سرخ سے پیلا ہو جاتا ہے۔ شکل 9.3: میتھائل اورنج (سرخ → پیلا) اور فینولفتھلین (بے رنگ → گلابی/سرخ)۔

۹.۱۰.۱ — موزوں انڈیکیٹر کا انتخاب: دو عمومی شرائط: (1) ٹائٹریشن کے اختتام پر pH انڈیکیٹر کے neutral point کے قریب ہو؛ (2) equivalence point کے قریب تیز رنگ تبدیلی ہو۔ ہر انڈیکیٹر تقریباً 2 pH یونٹس کی حد میں رنگ بدلتا ہے۔

۹.۱۰.۲ — ٹائٹریشن وکر اور equivalence point: pH وکر pH بمقابلہ titrant کے حجم کا گراف ہے۔ Equivalence point وہ نقطہ ہے جہاں شامل کیا گیا titrant analyte کو مکمل طور پر neutralize کرنے کے لیے بالکل کافی ہو۔ End point وہ نقطہ ہے جہاں انڈیکیٹر رنگ بدلتا ہے — اچھا انڈیکیٹر وہ ہے جس کا end point equivalence point کے قریب ہو۔

1۔ مضبوط تیزاب — مضبوط اساس (HCl + NaOH): شروع میں pH بہت کم ہوتی ہے۔ NaOH ملانے پر pH بڑھتی ہے۔ Equivalence point پر pH = 7.0 ہوتی ہے اور وکر میں تیز چڑھاؤ (تقریباً pH 4.0 سے 10.0) آتا ہے — اس حد میں رنگ بدلنے والا فینولفتھلین استعمال ہو سکتا ہے۔

2۔ مضبوط تیزاب — کمزور اساس (HCl + NH3): شروع میں pH 7 سے زیادہ مگر مضبوط اساس سے کم ہوتی ہے۔ Equivalence point سے پہلے buffer جیسا علاقہ ہوتا ہے جہاں pH آہستہ بدلتی ہے۔ Equivalence point پر pH 7 سے کم (5.27) ہوتی ہے، کیونکہ NH4+ تھوڑا سا ٹوٹ کر H+ دیتا ہے۔ اس حد میں رنگ بدلنے والا میتھائل اورنج استعمال ہو سکتا ہے۔

جدول 9.7: میتھائل اورنج 3.2 تا 4.5 (نارنجی → پیلا)؛ فینولفتھلین 8.2 تا 10.0 (بے رنگ → سرخ)۔

Acid-base titration with burette and flask

ٹائٹریشن وکر samjho: مضبوط تیزاب + مضبوط اساس میں equivalence پر pH 7 ہوتی ہے اور وکر میں تیز چڑھاؤ آتا ہے؛ مضبوط تیزاب + کمزور اساس میں equivalence پر pH 5.27 ہوتی ہے، اس لیے انڈیکیٹر بھی مختلف چنا جاتا ہے۔

📝 Official Exercise Questions — with Answers📝 کتاب کی مشق — جوابات کے ساتھ
KITAB KI EXERCISE

یہ exercise کتاب کے printed pages 185–206 (Chapter 9, Acid-Base Chemistry) کی official exercise سے لی گئی ہے — تمام سوال کتاب کے اپنے ہیں, جواب کے ساتھ. Book کی exercise میں کوئی الگ "inquisitive" section نہیں ہے, اس لیے کوئی inquisitive سوال invent نہیں کیا گیا; کتاب کے descriptive سوالات Q3–Q7 Section 3 میں اور numerical سوالات Q8–Q10 Section 4 (Numerical Problems) میں دیے گئے ہیں.

Section 1 — Multiple Choice Questionsحصہ 1 — کثیر الانتخابی سوالات
MCQs + ANSWERS

1. Given the following reaction: NH3(g) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH−(aq)

  • (a) NH3 is the acid, H2O is the base.
  • (b) NH3 is the base, H2O is the acid. ✓
  • (c) NH4+ is the base, OH− is the acid.
  • (d) H2O is the base, OH− is the acid.
Answer / جواب

Answer: (b) NH3 is the base, H2O is the acid. — H2O donates the proton (it becomes OH−), so it is the Bronsted–Lowry acid; NH3 accepts the proton (it becomes NH4+), so it is the base. This is the book's own ammonia-in-water example (Section 9.1). H2O پروٹون دیتا ہے اس لیے تیزاب ہے، اور NH3 پروٹون لیتا ہے اس لیے اساس ہے۔

2. The pH of 10−3 mol dm−3 of an aqueous solution of H2SO4 is:

  • (a) 3.0
  • (b) 2.7 ✓
  • (c) 2.0
  • (d) 1.5
Answer / جواب

Answer: (b) 2.7 — H2SO4 gives (essentially) two H+ per molecule, so [H+] ≈ 2 × 10−3 mol dm−3 and pH = −log(2 × 10−3) ≈ 2.70. (The second dissociation is not quite complete — Ka2 = 1.3 × 10−2 from Table 9.3 — but the exact value, ≈ 1.9 × 10−3 M, still gives pH ≈ 2.7.) ہر مالیکیول سے تقریباً دو H+ ملتے ہیں، اس لیے pH ≈ 2.7 بنتی ہے۔

3. The solubility product of AgCl is 2.0 × 10−10 mol2 dm−6. The maximum concentration of Ag+ ions in the solution is:

  • (a) 2.0 × 10−10 mol dm−3
  • (b) 1.41 × 10−5 mol dm−3 ✓
  • (c) 1.0 × 10−10 mol dm−3
  • (d) 4.0 × 10−20 mol dm−3
Answer / جواب

Answer: (b) 1.41 × 10−5 mol dm−3 — AgCl ⇌ Ag+ + Cl−, so Ksp = S² where S is the molar solubility: S = √(2.0 × 10−10) = 1.41 × 10−5 mol dm−3. (Table 9.5 gives AgCl Ksp = 1.8 × 10−10, which would give 1.34 × 10−5; the MCQ uses 2.0 × 10−10, hence 1.41 × 10−5.) Ksp = S²، اس لیے S = √(2.0 × 10−10) = 1.41 × 10−5 mol dm−3۔

4. Which indicator is typically used for titrations involving strong acids and strong bases?

  • (a) Methyl red
  • (b) Phenolphthalein ✓
  • (c) Bromothymol blue
  • (d) Litmus solution
Answer / جواب

Answer: (b) Phenolphthalein — For a strong acid–strong base titration the pH jumps from about 4.0 to 10.0 at equivalence (pH 7.0), and phenolphthalein changes colour in the range 8.2–10.0 (Table 9.7), inside that jump. Methyl red (4.4–6.2) is the book's example for the acidic range instead. مضبوط تیزاب۔مضبوط اساس کی ٹائٹریشن میں pH تقریباً 4 سے 10 تک چھلانگ لگاتی ہے، اور فینولفتھلین 8.2 تا 10.0 میں رنگ بدلتا ہے۔

5. Which of the following is the conjugate base of water?

  • (a) OH−(aq) ✓
  • (b) H+(aq)
  • (c) H2O(l)
  • (d) H3O+(aq)
Answer / جواب

Answer: (a) OH−(aq) — Water loses one proton to become its conjugate base: H2O → H+ + OH−. H3O+ is water's conjugate acid (water gains a proton), not its base. پانی ایک پروٹون کھو کر OH− بنتا ہے، اس لیے OH− اس کی conjugate base ہے؛ H3O+ اس کا conjugate acid ہے۔

6. Which of the following is a Lewis acid but not a Bronsted–Lowry acid?

  • (a) HCl
  • (b) NH3
  • (c) AlCl3 ✓
  • (d) H2O
Answer / جواب

Answer: (c) AlCl3 — Like BF3 in Section 9.2, aluminium in AlCl3 has an incomplete octet and accepts an electron pair (Lewis acid), but it has no proton to donate, so it cannot be a Bronsted–Lowry acid. HCl donates a proton (both theories); NH3 is a base in both; H2O is amphoteric. AlCl3 الیکٹرون جوڑا قبول کر سکتا ہے مگر پروٹون نہیں دے سکتا، اس لیے یہ صرف لیوس تیزاب ہے۔

7. In an acid–base titration, the equivalence point is reached when:

  • (a) pH of the solution is 7.0.
  • (b) The indicator changes colour.
  • (c) Equal volumes of acid and base have been added.
  • (d) The reaction stops. ✓
Answer / جواب

Answer: (d) The reaction stops. — ⚠️ This question is loosely worded and is flagged honestly: the book's own definition (Section 9.10.2) is that the equivalence point is where the titrant added is just enough to neutralize the analyte completely — i.e. the neutralization is complete. (a) is true only for strong acid–strong base titrations (the book itself gives pH 5.27 at equivalence for strong acid–weak base); (b) is the definition of the end point, which the book explicitly distinguishes from the equivalence point (Quick Check 9.6a); (c) is false unless the two solutions happen to have equal concentrations. Of the options given, (d) — neutralization complete — is the only one consistent with the book's definition. کتاب کی تعریف کے مطابق equivalence point پر neutralization مکمل ہو جاتی ہے؛ pH 7 صرف مضبوط۔مضبوط صورت میں درست ہے، اور انڈیکیٹر کا رنگ بدلنا end point ہے۔

8. If the concentration of Cl− ion in a solution is increased, the solubility of silver chloride (AgCl) will:

  • (a) Decrease ✓
  • (b) Increase
  • (c) Remain unchanged
  • (d) Become zero
Answer / جواب

Answer: (a) Decrease — Cl− is the common ion for AgCl ⇌ Ag+ + Cl−. Adding it shifts the equilibrium left to keep Ksp constant, so AgCl precipitates and its solubility falls (common ion effect, Sections 9.6 and 9.8.1b). It does not become zero — a small equilibrium solubility remains (see Quick Check 9.5a: 1.77 × 10−9 mol dm−3 in 0.10 M Cl−). Cl− کامن آئن ہے، اس کے بڑھنے سے توازن بائیں طرف جاتا ہے اور AgCl کی حل پذیری کم ہو جاتی ہے۔

9. Which of the following pairs of substances can act as a conjugate acid–base pair according to the Bronsted–Lowry theory?

  • (a) HCl and NaOH
  • (b) NH3 and NH4+ ✓
  • (c) H2O and H2SO4
  • (d) H2O and CH4
Answer / جواب

Answer: (b) NH3 and NH4+ — The two members differ by exactly one proton: NH4+ loses H+ to give NH3. HCl/NaOH are an unrelated acid and base; H2O/H2SO4 differ by more than one proton and are not a conjugate pair; CH4 is not water's conjugate partner. NH3 اور NH4+ میں صرف ایک پروٹون کا فرق ہے، اس لیے یہ ہم مزدوج جوڑا ہے۔

10. If the pH of a solution is 11, what is the [OH−] concentration in the solution?

  • (a) 1 × 10−3 M ✓
  • (b) 1 × 10−11 M
  • (c) 1 × 10−2 M
  • (d) 1 × 10−12 M
Answer / جواب

Answer: (a) 1 × 10−3 M — pH = 11 gives pOH = 14 − 11 = 3, so [OH−] = 10−3 M. (b) 1 × 10−11 M is the [H+] of the solution, not [OH−]. pH 11 ہو تو pOH = 3، اس لیے [OH−] = 10−3 M۔

11. Which of the following pairs forms a buffer solution?

  • (a) HCl and NaCl
  • (b) CH3COONa and CH3COOH ✓
  • (c) NaOH and HCl
  • (d) NH3 and Na2SO4
Answer / جواب

Answer: (b) CH3COONa and CH3COOH — A buffer is a weak acid with its salt (or a weak base with its salt): CH3COOH (weak acid) + CH3COO− (its conjugate base) is the book's best example of an acidic buffer (Section 9.7). HCl/NaCl is a strong acid with an unrelated salt; NaOH/HCl simply neutralize each other; NH3/Na2SO4 is a weak base with an unrelated salt, not its own conjugate acid. بفر کمزور تیزاب + اس کے نمک سے بنتا ہے — ایسیٹک ایسڈ اور سوڈیم ایسیٹیٹ کتاب کی بہترین مثال ہے۔

Section 2 — Short Answer Questionsحصہ 2 — مختصر جوابی سوالات
SHORT ANSWERS
a. Define the following with an example for each: (i) Ionization constant (ii) Solubility product (iii) Common ion effect (iv) Acid–base indicator

(i) Ionization constant: the equilibrium constant for the ionization of a weak electrolyte in water — for an acid it is Ka = [H3O+][A−]/[HA], a quantitative measure of acid strength (Section 9.5). Example: acetic acid, Ka = 1.85 × 10−5; for water itself the corresponding constant is Kw = [H+][OH−] = 1.0 × 10−14 at 25 °C (Section 9.3). (ii) Solubility product (Ksp): the product of the concentrations of the ions of a sparingly soluble salt at equilibrium, each raised to its coefficient in the balanced equation (Section 9.8). Example: PbSO4, Ksp = [Pb2+][SO42−] = 1.6 × 10−8 at 25 °C. (iii) Common ion effect: the suppression of the ionization of a weak electrolyte by adding a common ion to it (Section 9.6). Example: passing HCl gas through brine increases Cl− and NaCl crystallizes out. (iv) Acid–base indicator: a substance that changes colour to mark a titration's endpoint, showing one colour in acid and another in base (Section 9.10). Example: phenolphthalein — colourless in acid, red/pink in base, range 8.2–10.0. آئن سازی مستقل کمزور الیکٹرولائٹ کی آئن سازی کا equilibrium constant ہے، Ksp تھوڑا حل پذیر نمک کے آئنوں کا حاصل ضرب ہے، کامن آئن اثر آئن سازی کا دب جانا ہے، اور انڈیکیٹر end point پر رنگ بدلنے والا مادہ ہے۔

b. Differentiate between: (i) Hydrolysis and dissolution (ii) Acidic and basic buffer solutions

(i) Dissolution is a salt breaking into its constituent ions in water (e.g. NaCl(s) → Na+ + Cl−) with no change to the ions themselves. Hydrolysis is the further step in which an ion reacts with water — the conjugate acid of a weak base giving H3O+ (NH4+ + H2O ⇌ NH3 + H3O+) or the conjugate base of a weak acid giving OH− (CH3COO− + H2O ⇌ CH3COOH + OH−) — and so changes the pH (Section 9.9). Ions from strong acids/bases dissolve but do not hydrolyse significantly. (ii) Acidic buffers are made by mixing a weak acid and its salt with a strong base and have pH less than 7 — e.g. acetic acid + sodium acetate (pH 4.74 at equal concentrations). Basic buffers are made by mixing a weak base and its salt with a strong acid and have pH more than 7 — e.g. NH4OH + NH4Cl (Section 9.7). Dissolution میں نمک صرف آئنوں میں ٹوٹتا ہے، hydrolysis میں آئن پانی سے تعامل کر کے pH بدلتا ہے؛ تیزابی بفر کی pH 7 سے کم اور اساسی بفر کی 7 سے زیادہ ہوتی ہے۔

c. Explain the concept of conjugate acid–base pairs. How are they related in terms of proton transfer?

A conjugate acid–base pair consists of two species related by the transfer of exactly one proton (Section 9.1). The acid of the pair donates a proton and becomes its conjugate base; the base of the pair accepts a proton and becomes its conjugate acid. Examples: HCl ⇌ H+ + Cl− (HCl/Cl−); H2O + H+ ⇌ H3O+ (H2O/H3O+); NH3 + H+ ⇌ NH4+ (NH3/NH4+); H2O ⇌ H+ + OH− (H2O/OH−). In a proton-transfer reaction, the acid and base on the left are converted into their conjugates on the right, e.g. HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−: HCl's conjugate base is Cl− and H2O's conjugate acid is H3O+. ہم مزدوج جوڑے کے دو ارکان میں صرف ایک پروٹون کا فرق ہوتا ہے — تیزاب پروٹون دے کر اپنی conjugate base بنتا ہے اور اساس پروٹون لے کر اپنا conjugate acid بنتی ہے۔

d. What is the relationship between the strength of an acid and the strength of its conjugate base?

They are inversely related: the stronger the acid, the weaker its conjugate base; the weaker the acid, the stronger (more basic) its conjugate base. Table 9.3 shows this: HCl is very strong (Ka very large), so Cl− is an extremely weak base that does not react with water (Section 9.9.1); CH3COOH is weak (Ka = 1.85 × 10−5), so CH3COO− is basic enough to hydrolyse water and give OH− (Section 9.9.3). The same inverse rule explains salt hydrolysis: only the conjugate of a weak partner is strong enough to react with water. (The book's SLO notes that the equation Kw = Ka × Kb will not be tested, so the relationship is stated qualitatively here, as the chapter states it.) تیزاب جتنا مضبوط ہوگا اس کی conjugate base اتنی ہی کمزور ہوگی، اور کمزور تیزاب کی conjugate base نسبتاً مضبوط ہوتی ہے جو پانی سے تعامل کر سکتی ہے۔

e. For the following three reactions, identify the reactants that are Arrhenius bases, Bronsted–Lowry bases, and/or Lewis bases. State which type(s) of bases each reactant is. Explain your answers. (i) NaOH(s) ⇌ Na+(aq) + OH−(aq) (ii) HF(aq) + H2O(l) ⇌ F−(aq) + H3O+(aq) (iii) H+(aq) + NH3(aq) ⇌ NH4+(aq)

(i) NaOH — all three types. It is an Arrhenius base because it dissociates in water to give OH−; its OH− is a Bronsted–Lowry base because it can accept a proton (OH− + H+ → H2O); and OH− is a Lewis base because it donates a lone pair to an electron-pair acceptor. (ii) H2O — Bronsted–Lowry base and Lewis base, not Arrhenius. It accepts the proton from HF (Bronsted–Lowry base, becoming H3O+) by donating its oxygen lone pair to H+ (Lewis base). It is not an Arrhenius base because it does not itself release OH− by dissociation. HF is the acid here, not a base. (iii) NH3 — Bronsted–Lowry base and Lewis base, not Arrhenius. It accepts the proton to become NH4+ (Bronsted–Lowry base) by donating its nitrogen lone pair to H+ (Lewis base). H+ is a Lewis acid (electron-pair acceptor), not a base. NaOH تینوں طرح کی اساس ہے؛ H2O اور NH3 برانسٹڈ۔لوری اور لیوس اساس ہیں مگر آرہینیس اساس نہیں، کیونکہ وہ خود OH− خارج نہیں کرتیں۔

f. An amphoteric substance can behave as either an acid or a base. Identify whether water behaves as an acid or a base in each of the following reactions. (i) H2O + HCl ⇌ H3O+ + Cl− (ii) NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH− (iii) HNO3 + H2O ⇌ H3O+ + NO3− (iv) CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO− + H3O+

(i) Base — H2O accepts the proton from HCl and becomes H3O+. (ii) Acid — H2O donates a proton to NH3 and becomes OH−. (iii) Base — H2O accepts the proton from HNO3 and becomes H3O+. (iv) Base — H2O accepts the proton from CH3COOH and becomes H3O+. This is exactly the book's amphoteric-water point (Section 9.1): water is the base whenever the other reactant is the stronger acid, and the acid only when the other reactant (here NH3) is the base. پانی (1)، (3) اور (4) میں پروٹون قبول کر کے اساس بنتا ہے، اور (2) میں پروٹون دے کر تیزاب بنتا ہے — یہی amphoteric ہونا ہے۔

g. Which salt would you expect to dissolve more readily in water: Barium carbonate or Copper sulfide? Explain. (Ksp(BaCO3) = 1.1 × 10−10, Ksp(CuS) = 8 × 10−34)

Barium carbonate, by an enormous margin. Both salts are 1:1 salts (BaCO3 ⇌ Ba2+ + CO32−; CuS ⇌ Cu2+ + S2−), so for both, Ksp = S² and S = √Ksp. For BaCO3: S = √(1.1 × 10−10) ≈ 1.05 × 10−5 mol dm−3. For CuS: S = √(8 × 10−34) ≈ 2.8 × 10−17 mol dm−3. BaCO3 is therefore roughly 1012 times more soluble. (Because the stoichiometries match, the Ksp values can be compared directly; for salts of different stoichiometries the solubilities S must be computed first.) دونوں 1:1 نمک ہیں، اس لیے S = √Ksp: بیریم کاربونیٹ تقریباً 1.05 × 10−5 اور کاپر سلفائیڈ تقریباً 2.8 × 10−17 mol dm−3 — بیریم کاربونیٹ بہت زیادہ حل پذیر ہے۔

h. Why does common ion effect decrease solubility of a less soluble salt?

Because of the solubility-product equilibrium (Sections 9.6, 9.8.1b). For a sparingly soluble salt, e.g. PbCrO4 ⇌ Pb2+ + CrO42−, Ksp = [Pb2+][CrO42−] is constant at a given temperature. Adding a soluble salt with a common ion (Na2CrO4 adds CrO42−) raises one ion's concentration, so the equilibrium shifts left — the common ion combines with the other ion to form more undissolved salt — until the product is back to Ksp. The dissolved concentration of the salt therefore falls: its solubility decreases and more of it precipitates. Ksp مستقل رہتا ہے، اس لیے کامن آئن بڑھنے پر توازن بائیں طرف جاتا ہے، نمک precipitate ہوتا ہے اور حل پذیری کم ہو جاتی ہے۔

i. State the basic principle of solubility product. Mention factors affecting solubility product.

Principle: at equilibrium, the product of the concentrations of the ions of a sparingly soluble salt, each raised to the power of its coefficient in the balanced equation, is a constant — the solubility product Ksp — and Ksp is a measure of the dissociation of the salt (Section 9.8). Factors: ⚠️ the chapter names temperature explicitly — "the value of Ksp is temperature dependent" (Section 9.8), and Table 9.2's Kw values show the same temperature behaviour for water. The solubility itself (as distinct from Ksp) is also affected by the common ion effect (Section 9.8.1b): adding a common ion lowers the solubility while Ksp stays constant. No other factor is given a dedicated passage in this chapter, so none is claimed here. بنیادی اصول: equilibrium پر آئنوں کی concentrations کا حاصل ضرب (ہر ایک اپنے coefficient کی طاقت کے ساتھ) مستقل Ksp ہوتا ہے۔ کتاب کے مطابق Ksp درجہ حرارت پر منحصر ہے، جبکہ حل پذیری پر کامن آئن بھی اثر ڈالتا ہے۔

j. Prove by equations what happens when Na2CrO4 is added to saturated solution of PbCrO4.

Saturated PbCrO4: PbCrO4(s) ⇌ Pb2+(aq) + CrO42−(aq), with Ksp = [Pb2+][CrO42−] = 2.3 × 10−13 (Table 9.5). Na2CrO4 is a soluble salt and dissociates completely: Na2CrO4(aq) → 2Na+(aq) + CrO42−(aq). CrO42− is the common ion. Its concentration rises, so the ionic product [Pb2+][CrO42−] exceeds Ksp; to restore Ksp, the equilibrium shifts left: Pb2+(aq) + CrO42−(aq) → PbCrO4(s) — more PbCrO4 precipitates, [Pb2+] falls, and the solubility of PbCrO4 decreases. This is the book's own worked example in Section 9.8.1(b). Na2CrO4 سے CrO42− (کامن آئن) بڑھتا ہے، ionic product Ksp سے زیادہ ہو جاتا ہے، توازن بائیں طرف جاتا ہے اور PbCrO4 precipitate ہو جاتا ہے۔

k. According to the Lewis acid–base concept, boron trifluoride (BF3) can act as an acid. Is this statement correct?

Yes, the statement is correct. According to the Lewis concept (Section 9.2), an acid is an electron-pair acceptor. The boron atom in BF3 has only six electrons in its valence shell — an incomplete octet — so it accepts a lone pair from a Lewis base, e.g. F− + BF3 → [BF4]−, forming a coordinate covalent bond. BF3 is therefore a very good Lewis acid, even though it has no proton to donate and is not a Bronsted–Lowry acid. جی ہاں، یہ بیان درست ہے: BF3 میں بوران کا آکٹیٹ نامکمل ہے، اس لیے یہ الیکٹرون جوڑا قبول کر کے لیوس تیزاب کا کردار ادا کرتا ہے۔

l. If the concentration of hydrogen ions in a solution is 1 × 10−5 M, what is the pH of the solution?

pH = −log[H+] = −log(1 × 10−5) = 5. The solution is acidic (pH < 7). pH = −log(1 × 10−5) = 5 — محلول تیزابی ہے۔

Section 3 — Descriptive (Long) Questions — Englishحصہ 3 — تفصیلی سوالات — انگریزی
LONG ANSWERS — ENGLISH
1. Describe the Bronsted–Lowry theory of acids and bases. Provide examples of conjugate acid–base pairs and explain clearly their relationship.

In 1923, Bronsted and Lowry independently expanded the Arrhenius theory, which only covered reactions in water. They defined acid–base reactions as proton-transfer reactions: an acid is the species donating a proton (H+) and a base is the species accepting the proton (Section 9.1). This definition works in solvents other than water and even without a solvent — e.g. HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s), where HCl is the acid although no OH− is present. Conjugate pairs are the two species related by one proton: the acid's conjugate base is what remains after it donates its proton, and the base's conjugate acid is what forms after it accepts a proton. Examples: HCl/Cl− (HCl donates H+ to water: HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−); H2O/H3O+; NH3/NH4+ (NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH−); H2O/OH−; and from Table 9.1, HNO3/NO3−, H2SO4/HSO4−, CO32−/HCO3−. The relationship is exact: the two members of a pair differ by exactly one proton, and in every proton-transfer reaction the reactants are converted into their conjugates. Water is amphoteric — it is the base with HCl, HNO3 and CH3COOH, but the acid with NH3. برانسٹڈ۔لوری نظریے میں تیزاب پروٹون دینے والا اور اساس پروٹون لینے والا ہے؛ ہم مزدوج جوڑے کے ارکان میں صرف ایک پروٹون کا فرق ہوتا ہے۔

2. Define the Lewis theory of acids and bases. How does this theory differ from the Bronsted–Lowry theory? Give examples of Lewis acids and bases that do not involve proton transfer.

Lewis theory (1923): a Lewis acid is any species (molecule or ion) that can accept a pair of electrons, and a Lewis base is any species that can donate a pair of electrons; the reaction forms a coordinate covalent bond and an acid–base adduct (Section 9.2). Difference from Bronsted–Lowry: the Bronsted–Lowry theory is defined entirely by proton transfer — an acid must have a proton to donate and a base must accept one, and it cannot describe reactions where no proton moves. The Lewis theory is more general: it covers all proton-transfer reactions (the proton H+ is itself a Lewis acid accepting a pair, and the proton acceptor is a Lewis base donating a pair) plus reactions with no proton at all. Examples without proton transfer: (i) 2NH3 + Ag+ → [H3N→Ag←NH3]+ — NH3 (Lewis base) donates pairs to Ag+ (Lewis acid); (ii) F− + BF3 → [BF4]− — F− (Lewis base) donates a lone pair to BF3 (Lewis acid, incomplete octet on boron); (iii) by the same rule, AlCl3 is a Lewis acid (MCQ VI) although it is not a Bronsted–Lowry acid at all. لیوس نظریہ زیادہ عام ہے: تیزاب الیکٹرون جوڑا قبول کرنے والا اور اساس دینے والی ہے، اور اس میں بغیر پروٹون کے تعملات بھی شامل ہیں۔

3. Discuss applications and implications of the common ion effect in various fields.

The common ion effect — suppression of a weak electrolyte's ionization by adding a common ion (Section 9.6) — has applications in several fields. (1) Purification of common salt: passing HCl gas through brine (saturated NaCl) raises Cl− concentration, so NaCl crystallizes out to keep its equilibrium constant — the industrial purification of sodium chloride. (2) Qualitative salt analysis: the dissociation of H2S is suppressed by HCl (common H+), giving a low, controlled S2− concentration that precipitates only the II group basic radicals; and NH4Cl + NH3 (common NH4+ suppressing OH−) is the group reagent for III group basic radicals. (3) Preparation of buffers: adding the salt CH3COONa to CH3COOH suppresses the acid's dissociation by the common CH3COO− ion (Section 9.7, Table 9.4) — the basis of buffer action and of the blood bicarbonate buffering system. (4) Solubility control of sparingly soluble salts: adding a common ion (e.g. Na2CrO4 to saturated PbCrO4, Section 9.8.1b) shifts the solubility equilibrium left and precipitates the salt — the same principle used to predict precipitation from the ionic product vs Ksp (Section 9.8.1c). Implication: in every case the equilibrium constant (Kc or Ksp) does not change; only the position of equilibrium and the solubility change — which is why a common ion can purify, separate, or stabilize a solution without changing its chemistry. کامن آئن اثر نمک کی صفائی، نمک کے تجزیے، بفر کی تیاری اور تھوڑا حل پذیر نمکوں کی حل پذیری پر قابو پانے میں استعمال ہوتا ہے۔

4. What is the solubility product for sparingly soluble salts? Give its two applications.

Definition (Section 9.8): for a sparingly soluble salt, an equilibrium exists between the solid and its dissolved ions, e.g. PbSO4(s) ⇌ Pb2+ + SO42−. Since the solid's concentration is effectively constant, it is absorbed into the equilibrium constant to give the solubility product: Ksp = product of the concentrations of the ions at equilibrium, each raised to its coefficient in the balanced equation — e.g. Ksp = [Pb2+][SO42−] = 1.6 × 10−8 at 25 °C for PbSO4, and Ksp = [Pb2+][Cl−]2 for PbCl2. Ksp is very small at room temperature, is temperature dependent, and is a measure of the salt's dissociation. Application 1 — determination of solubility from Ksp (Section 9.8.1a): from the formula and Ksp, the molar solubility S is calculated — e.g. Ca(OH)2, Ksp = 6.5 × 10−6, gives 4S3 = 6.5 × 10−6, S = 1.18 × 10−2 mol dm−3 (Sample Problem 9.4), and the individual ion concentrations follow ([Ca2+] = S, [OH−] = 2S). Application 2 — predicting precipitation, including the common-ion effect (Sections 9.8.1b–c): comparing the ionic product with Ksp predicts whether a salt precipitates (ionic product > Ksp → precipitation; = Ksp → saturated; < Ksp → no precipitation) — e.g. CaSO4 precipitates when the ionic product 2.5 × 10−5 exceeds Ksp 2 × 10−5; and adding a common ion lowers a salt's solubility while Ksp stays constant (Na2CrO4 + PbCrO4). Ksp تھوڑا حل پذیر نمک کے آئنوں کا حاصل ضرب ہے؛ اس سے حل پذیری نکالی جاتی ہے اور precipitation کی پیش گوئی کی جاتی ہے۔

5. Describe the general shape of a titration curve for a strong acid titrated with a strong base. How can you identify the equivalence point on this titration curve?

A titration curve is a graph of pH versus the volume of titrant added (Section 9.10.2). For a strong acid (e.g. HCl) titrated with a strong base (e.g. NaOH, Figure 9.4): shape — the curve starts very low (the strong acid is completely dissociated, so [H+] is high); it then rises only gradually as added OH− neutralizes H+; near the equivalence point it rises steeply and almost vertically, changing quickly from acidic to neutral, with the pH at the endpoint changing about from 4.0 to 10.0; after the equivalence point it levels off at a high, basic pH as excess NaOH accumulates. Identifying the equivalence point: it is the midpoint of the steep vertical rise — the point where the amount of OH− added is stoichiometrically equal to the H+ originally present. For this strong–strong titration its pH is exactly 7.0. In practice it is located from the curve as the inflection point of the steep section, and confirmed by an indicator whose colour-change range lies inside the steep section: phenolphthalein (8.2–10.0) is suitable because its end point (colour change) is close to the equivalence point (Section 9.10.1, Table 9.7). Contrast: for a strong acid–weak base titration (Figure 9.5) the steep rise is smaller and the equivalence pH is 5.27, not 7.0, so a different indicator (methyl orange) is needed. مضبوط تیزاب۔مضبوط اساس کے وکر میں شروع میں pH بہت کم، پھر equivalence کے قریب تیز عمودی چڑھاؤ (pH 7.0 پر)، اور آخر میں اساسی سطح — equivalence point اس تیز چڑھاؤ کا درمیانی نقطہ ہے۔

Section 3 (Urdu) — Descriptive Questions — Urduحصہ 3 (اردو) — تفصیلی سوالات — اردو
LONG ANSWERS — URDU
۱۔ برانسٹڈ۔لوری نظریہ تیزاب اور اساس کی وضاحت کریں۔ ہم مزدوج تیزاب۔اساس جوڑوں کی مثالیں دیں اور ان کے تعلق کی واضح وضاحت کریں۔

1923 میں برانسٹڈ اور لوری نے آرہینیس نظریے کو وسعت دی، جو صرف پانی تک محدود تھا۔ ان کے مطابق تیزاب۔اساس تعمل پروٹون کی منتقلی ہے: تیزاب پروٹون دینے والا اور اساس پروٹون لینے والا ہے۔ یہ تعریف پانی کے علاوہ دوسرے سالونٹس اور بغیر سالونٹ کے تعملات پر بھی لاگو ہوتی ہے، جیسے HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)۔ ہم مزدوج جوڑے وہ دو نوعیں ہیں جن میں صرف ایک پروٹون کا فرق ہو: تیزاب پروٹون دے کر اپنی conjugate base بنتا ہے اور اساس پروٹون لے کر اپنا conjugate acid بنتی ہے۔ مثالیں: HCl/Cl−، H2O/H3O+، NH3/NH4+، H2O/OH−، HNO3/NO3−، H2SO4/HSO4−، CO32−/HCO3−۔ ہر پروٹون منتقلی تعمل میں reactants اپنے conjugates میں بدل جاتے ہیں۔ پانی amphoteric ہے: HCl، HNO3 اور CH3COOH کے ساتھ اساس، اور NH3 کے ساتھ تیزاب۔

۲۔ لیوس نظریہ تیزاب اور اساس کی تعریف کریں۔ یہ نظریہ برانسٹڈ۔لوری نظریے سے کیسے مختلف ہے؟ لیوس تیزابوں اور اساسوں کی ایسی مثالیں دیں جن میں پروٹون کی منتقلی نہ ہو۔

لیوس نظریہ (1923): لیوس تیزاب وہ نوع ہے جو الیکٹرون جوڑا قبول کر سکتی ہے، اور لیوس اساس وہ نوع ہے جو الیکٹرون جوڑا دے سکتی ہے؛ ان کے تعامل سے کوآرڈینیٹ کوویلنٹ بانڈ اور تیزاب۔اساس ایڈکٹ بنتا ہے۔ فرق: برانسٹڈ۔لوری نظریہ مکمل طور پر پروٹون منتقلی پر مبنی ہے — تیزاب کے پاس دینے کے لیے پروٹون ہونا ضروری ہے۔ لیوس نظریہ زیادہ عام ہے: یہ پروٹون منتقلی والے تعملات (H+ خود ایک لیوس تیزاب ہے جو جوڑا قبول کرتا ہے) اور بغیر پروٹون والے تعملات دونوں کو بیان کرتا ہے۔ بغیر پروٹون کی مثالیں: (1) 2NH3 + Ag+ → [H3N→Ag←NH3]+ — NH3 لیوس اساس، Ag+ لیوس تیزاب؛ (2) F− + BF3 → [BF4]− — F− لیوس اساس، BF3 لیوس تیزاب (بوران کا آکٹیٹ نامکمل)؛ (3) اسی اصول سے AlCl3 لیوس تیزاب ہے، حالانکہ وہ برانسٹڈ۔لوری تیزاب نہیں ہے۔

۳۔ مختلف شعبوں میں کامن آئن اثر کے استعمالات اور اثرات پر بحث کریں۔

کامن آئن اثر — کامن آئن شامل کرنے سے کمزور الیکٹرولائٹ کی آئن سازی کا دب جانا — کئی شعبوں میں استعمال ہوتا ہے۔ (1) عام نمک کی صفائی: brine میں HCl گیس گزارنے سے Cl− بڑھتا ہے اور NaCl کرسٹل کی صورت میں نکل آتا ہے۔ (2) نمک کا qualitative تجزیہ: HCl سے H2S کی dissociation دب جاتی ہے، تو S2− کی کم، قابو شدہ مقدار صرف II گروپ کے basic radicals کو precipitate کرتی ہے؛ اور NH4Cl + NH3، III گروپ کے لیے group reagent ہے۔ (3) بفر کی تیاری: CH3COOH میں CH3COONa ملانے سے کامن CH3COO− آئن تیزاب کی dissociation دبا دیتا ہے — یہی بفر عمل کی بنیاد ہے، اور خون کا بائی کاربونیٹ بفر نظام بھی اسی اصول پر کام کرتا ہے۔ (4) تھوڑا حل پذیر نمکوں کی حل پذیری پر قابو: کامن آئن ملانے سے (جیسے PbCrO4 میں Na2CrO4) توازن بائیں طرف جاتا ہے اور نمک precipitate ہو جاتا ہے — اسی اصول سے ionic product اور Ksp کے موازنے سے precipitation کی پیش گوئی کی جاتی ہے۔ اثر: ہر صورت میں equilibrium constant (Kc یا Ksp) نہیں بدلتا، صرف توازن کی position اور حل پذیری بدلتی ہے۔

۴۔ تھوڑا حل پذیر نمکوں کے لیے solubility product کیا ہے؟ اس کے دو استعمالات بتائیں۔

تعریف: تھوڑا حل پذیر نمک کے لیے ٹھوس اور حل شدہ آئنوں کے درمیان توازن ہوتا ہے، مثلاً PbSO4(s) ⇌ Pb2+ + SO42−۔ ٹھوس کی concentration تقریباً مستقل ہوتی ہے، اس لیے اسے equilibrium constant میں ضم کر کے solubility product بنایا جاتا ہے: Ksp = equilibrium پر آئنوں کی concentrations کا حاصل ضرب، ہر آئن اپنے balanced equation کے coefficient کی طاقت کے ساتھ — مثلاً PbSO4 کے لیے Ksp = [Pb2+][SO42−] = 1.6 × 10−8 (25 °C پر)، اور PbCl2 کے لیے Ksp = [Pb2+][Cl−]2۔ Ksp کمرے کے درجہ حرارت پر بہت چھوٹی قدر ہوتی ہے، درجہ حرارت پر منحصر ہوتی ہے، اور نمک کی dissociation کا پیمانہ ہے۔ استعمال 1 — Ksp سے حل پذیری نکالنا: فارمولے اور Ksp سے molar solubility S نکالی جاتی ہے — مثلاً Ca(OH)2 کے لیے 4S3 = 6.5 × 10−6 سے S = 1.18 × 10−2 mol dm−3، اور آئنوں کی concentrations بھی ([Ca2+] = S، [OH−] = 2S)۔ استعمال 2 — precipitation کی پیش گوئی (کامن آئن اثر سمیت): ionic product کا Ksp سے موازنہ بتاتا ہے کہ نمک precipitate ہوگا یا نہیں (حاصل ضرب > Ksp → precipitation؛ برابر → saturated؛ کم → کوئی precipitation نہیں) — مثلاً CaSO4 کا ionic product 2.5 × 10−5، Ksp 2 × 10−5 سے زیادہ ہے، اس لیے وہ precipitate ہو جاتا ہے۔

۵۔ مضبوط تیزاب کی مضبوط اساس کے ساتھ ٹائٹریشن کے وکر کی عمومی شکل بیان کریں۔ اس وکر پر equivalence point کی شناخت کیسے کی جا سکتی ہے؟

ٹائٹریشن وکر pH بمقابلہ titrant کے حجم کا گراف ہے۔ مضبوط تیزاب (HCl) کی مضبوط اساس (NaOH) کے ساتھ ٹائٹریشن میں: شکل — وکر بہت کم pH سے شروع ہوتا ہے (مضبوط تیزاب مکمل طور پر ٹوٹا ہوتا ہے، اس لیے [H+] زیادہ ہے)؛ پھر OH− ملنے پر آہستہ آہستہ اوپر جاتا ہے؛ equivalence point کے قریب تیز اور تقریباً عمودی چڑھاؤ آتا ہے، جس میں pH تقریباً 4.0 سے 10.0 تک بدل جاتی ہے؛ equivalence کے بعد وکر اساسی سطح پر برابر ہو جاتا ہے، کیونکہ اضافی NaOH جمع ہو جاتا ہے۔ Equivalence point کی شناخت: یہ تیز عمودی چڑھاؤ کا درمیانی نقطہ ہے — وہ نقطہ جہاں شامل شدہ OH− کی مقدار شروع میں موجود H+ کے بالکل برابر ہو۔ اس مضبوط۔مضبوط ٹائٹریشن میں اس کی pH بالکل 7.0 ہوتی ہے۔ عملی طور پر اسے وکر کے تیز حصے کے inflection point سے پہچانا جاتا ہے، اور اس کی تصدیق ایسے انڈیکیٹر سے ہوتی ہے جس کی رنگ تبدیلی کی حد اس تیز حصے کے اندر ہو: فینولفتھلین (8.2 تا 10.0) موزوں ہے، کیونکہ اس کا end point equivalence point کے قریب ہے۔ موازنہ: مضبوط تیزاب۔کمزور اساس کی ٹائٹریشن میں تیز چڑھاؤ چھوٹا ہوتا ہے اور equivalence pH 5.27 ہوتی ہے، اس لیے وہاں میتھائل اورنج استعمال ہوتا ہے۔

Section 4 — Numerical Problemsحصہ 4 — عددی مسائل
NUMERICAL PROBLEMS — WORKED SOLUTIONS
1. A buffer solution has a pH of 5.0. It is made from a weak acid HA with a pKa of 4.8. What is the ratio of the concentration of the conjugate base [A−] to the concentration of the weak acid [HA] in this buffer?

Step 1 — Use Henderson's equation (Section 9.7.1): pH = pKa + log([Salt]/[Acid]) = pKa + log([A−]/[HA]). Step 2 — Substitute the given values: 5.0 = 4.8 + log([A−]/[HA]). Step 3 — Isolate the log term: log([A−]/[HA]) = 5.0 − 4.8 = 0.2. Step 4 — Take the antilog: [A−]/[HA] = 100.2 ≈ 1.58. Answer: [A−]/[HA] ≈ 1.58 : 1 — the conjugate base concentration is about 1.58 times the weak-acid concentration (equivalently, [A−] ≈ 1.58[HA]). ہینڈرسن مساوات سے log([A−]/[HA]) = 0.2، اس لیے تناسب ≈ 1.58 : 1 ہے۔

2. Calculate the solubility of a sparingly salt lead (II) iodide (PbI2) in water. It has Ksp = 1.4 × 10−8.

Step 1 — Write the equilibrium: PbI2(s) ⇌ Pb2+(aq) + 2I−(aq). Step 2 — Let the molar solubility be S: [Pb2+] = S and [I−] = 2S. Step 3 — Write Ksp: Ksp = [Pb2+][I−]2 = S × (2S)2 = 4S3. Step 4 — Substitute and solve: 4S3 = 1.4 × 10−8; S3 = 1.4 × 10−8/4 = 3.5 × 10−9; S = (3.5 × 10−9)1/3 = (3.5)1/3 × 10−3 ≈ 1.52 × 10−3. Answer: the solubility of PbI2 is ≈ 1.52 × 10−3 mol dm−3 (so [Pb2+] ≈ 1.52 × 10−3 mol dm−3 and [I−] ≈ 3.04 × 10−3 mol dm−3). Check: 4 × (1.52 × 10−3)3 ≈ 1.40 × 10−8 ✓. PbI2 کے لیے Ksp = 4S3، اس لیے S ≈ 1.52 × 10−3 mol dm−3۔

3. The molar solubility of silver chromate (Ag2CrO4) in pure water at 298 K is 6.5 × 10−5 mol dm−3. Calculate the Ksp of silver chromate at this temperature.

Step 1 — Write the equilibrium: Ag2CrO4(s) ⇌ 2Ag+(aq) + CrO42−(aq). Step 2 — Express the ion concentrations in terms of S = 6.5 × 10−5 mol dm−3: [Ag+] = 2S = 1.30 × 10−4 mol dm−3; [CrO42−] = S = 6.5 × 10−5 mol dm−3. Step 3 — Write Ksp: Ksp = [Ag+]2[CrO42−] = (2S)2(S) = 4S3. Step 4 — Substitute: Ksp = 4 × (6.5 × 10−5)3 = 4 × 274.625 × 10−15 = 1098.5 × 10−15 = 1.10 × 10−12. Answer: Ksp(Ag2CrO4) ≈ 1.1 × 10−12 (units mol3 dm−9). Ag2CrO4 کے لیے Ksp = 4S3 = 4 × (6.5 × 10−5)3 ≈ 1.1 × 10−12۔

📌 باب کا خلاصہ و رہنمائی — اس باب میں کیا ہے؟
ENGLISH SUMMARY

What this chapter is about: acid–base chemistry beyond simple neutralization — two theories of what makes something an acid or a base, the numbers that measure acidity (Kw, pH, Ka, Ksp), and the practical systems built on them: buffers, salt hydrolysis, indicators and titration curves.

  • Bronsted–Lowry concept — acid donates a proton, base accepts it; conjugate pairs differ by one proton; water is amphoteric.
  • Lewis concept — acid accepts an electron pair, base donates it; covers reactions with no proton at all (BF₃, Ag⁺/NH₃).
  • Ionic product of water — Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ at 25 °C; neutral water has [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷; Kw changes only with temperature.
  • pH and pOH — pH = −log[H⁺], pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14; everyday solutions from HCl (pH 0) to NaOH (pH 14).
  • Ka and [H₃O⁺] — Ka measures acid strength; weak acids give x ≈ √(Ka × C); acetic acid 0.1 M gives 1.34 × 10⁻³ mol dm⁻³.
  • Common ion effect — a common ion suppresses ionization: NaCl purification, KClO₃, H₂S analysis, NH₄Cl/NH₃ group reagent.
  • Buffer solutions — weak acid + its salt (pH < 7) or weak base + its salt (pH > 7); Henderson's equation; best buffer has equal salt and acid, pH = pKa.
  • Solubility product — Ksp is the ions' product at equilibrium, coefficients as powers; PbSO₄ Ksp = 1.6 × 10⁻⁸.
  • Ksp applications — solubility from Ksp (Ca(OH)₂: 1.18 × 10⁻² mol dm⁻³), common-ion lowering of solubility, and precipitation predicted by ionic product vs Ksp.
  • Salt hydrolysis — strong/strong salts neutral; strong-acid/weak-base salts acidic (NH₄Cl); weak-acid/strong-base salts basic (CH₃COONa); weak/weak depends on which conjugate is stronger.
  • Indicators and titration curves — HIn ⇌ H⁺ + In⁻, two colours; choose an indicator whose range contains the equivalence pH; strong–strong equivalence pH 7.0 (phenolphthalein), strong–weak pH 5.27 (methyl orange).

Revision guidance: first memorize the four constants and their formulas (Kw, pH/pOH, Ka, Ksp) and the √ rule for weak acids and 1:1/1:2 salts. Then practise the three calculation types that the exercise actually tests: Henderson buffer ratios, solubility from Ksp (watch the coefficient — 4S³ for 1:2 salts), and Ksp from solubility. Finally, learn the four hydrolysis cases and the two titration curves as pairs — students mix up end point and equivalence point most often, and that distinction is exactly what Quick Check 9.6 and MCQ 7 test. Solve the official exercise (Section 1–4 above) closed-book, then check the worked solutions.

URDU SUMMARY

اس باب میں کیا ہے: تیزاب۔اساس کیمسٹری — تیزاب اور اساس کی دو تعریفیں، تیزابیت ناپنے والے اعداد (Kw، pH، Ka، Ksp)، اور ان پر مبنی عملی نظام: بفر، نمک کی ہائیڈرولیسس، انڈیکیٹرز اور ٹائٹریشن وکر۔

  • برانسٹڈ۔لوری تصور — تیزاب پروٹون دینے والا، اساس لینے والی؛ ہم مزدوج جوڑوں میں ایک پروٹون کا فرق؛ پانی amphoteric۔
  • لیوس تصور — تیزاب الیکٹرون جوڑا قبول کرنے والا، اساس دینے والی؛ بغیر پروٹون کے تعملات بھی شامل۔
  • پانی کا آئنی حاصل ضرب — Kw = 1.0 × 10−14 (25 °C)؛ neutral پانی میں [H+] = [OH−] = 10−7۔
  • pH اور pOH — pH + pOH = 14؛ عام چیزوں کی pH، HCl (0) سے NaOH (14) تک۔
  • Ka اور [H₃O⁺] — Ka تیزاب کی طاقت کا پیمانہ؛ کمزور تیزاب کے لیے x ≈ √(Ka × C)۔
  • کامن آئن اثر — کامن آئن آئن سازی دبا دیتا ہے: نمک کی صفائی، نمک کا تجزیہ، group reagent۔
  • بفر محلول — کمزور تیزاب + نمک (pH < 7) یا کمزور اساس + نمک (pH > 7)؛ ہینڈرسن مساوات؛ بہترین بفر میں pH = pKa۔
  • حل پذیری حاصل ضرب — Ksp آئنوں کا حاصل ضرب ہے، coefficients طاقت بنتے ہیں۔
  • Ksp کے استعمالات — Ksp سے حل پذیری، کامن آئن سے حل پذیری میں کمی، ionic product سے precipitation کی پیش گوئی۔
  • نمک کی ہائیڈرولیسس — مضبوط/مضبوط neutral؛ مضبوط تیزاب/کمزور اساس تیزابی؛ کمزور تیزاب/مضبوط اساس اساسی۔
  • انڈیکیٹرز اور ٹائٹریشن وکر — HIn اور In− کے رنگ مختلف؛ equivalence pH کے مطابق انڈیکیٹر چنیں؛ مضبوط۔مضبوط pH 7.0، مضبوط۔کمزور pH 5.27۔

نظر ثانی کی رہنمائی: پہلے چار مستقل اور ان کے فارمولے یاد کریں (Kw، pH/pOH، Ka، Ksp) اور کمزور تیزابوں اور نمکوں کے لیے √ والا اصول۔ پھر مشق کے تین حسابی طریقے پریکٹس کریں: ہینڈرسن بفر تناسب، Ksp سے حل پذیری (coefficient کا خیال رکھیں — 1:2 نمکوں کے لیے 4S³)، اور حل پذیری سے Ksp۔ آخر میں ہائیڈرولیسس کے چار کیس اور دو ٹائٹریشن وکر جوڑوں کی صورت میں یاد کریں — end point اور equivalence point کا فرق سب سے زیادہ غلط ہوتا ہے، اور یہی فرق مشق میں پوچھا گیا ہے۔

🎯 مزید MCQs اور Tests کے لیے

Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:

PunjabTest.com — Tests →

PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Chemistry, Chapter 9 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu

← Chapter 8: Chemical EquilibriumChapter 10: Electrochemistry →