课件无机化学09 酸碱平衡

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1、第9章酸碱平衡 Chapter9Acid BaseEquilibrium 1 掌握酸碱质子理论 2 掌握一元弱酸 弱碱的电离平衡和近似计算 3 熟悉多元酸 多元碱 两性物质的电离平衡和近似计算 4 掌握同离子效应和盐效应的概念及对弱电解质电离平衡的影响 5 掌握缓冲溶液的概念 组成 配制原则及pH计算 本章要求 本章教学内容 9 1酸碱质子理论7 2水的离子积和pH7 3酸碱盐溶液中的电离平衡7 4水溶液化学平衡的计算7 5缓冲溶液7 6酸碱指示剂 9 1酸碱质子理论 重要的酸碱理论 1 酸碱的电离理论 阿仑尼乌斯酸碱理论 2 Br nsted Lowry 酸碱质子理论 3 路易斯酸碱理论 l

2、ewis 酸碱电子理论 1 酸碱的定义酸 凡能给出质子的物质都是酸 碱 凡能接受质子的物质都是碱 酸和碱可以是分子或离子 如HCl NH4 HSO4 是酸 Cl NH3 HSO4 是碱 质子理论中不存在盐的概念 它们分别是离子酸或离子碱 如HCO3 CO32 酸碱存在着对应的相互依存的关系 物质的酸性或碱性要通过给出质子或接受质子来体现 酸H 碱HClH Cl 共轭关系 共轭酸 共轭碱 2 酸碱共轭关系 HAc的共轭碱是Ac Ac 的共轭酸HAc HAc和Ac 为一对共轭酸碱 称为共轭酸碱对 两性物质 既能给出质子 又能接受质子的物质 HAcH Ac 共轭酸共轭碱 酸H 碱 从共轭酸碱对可以看

3、出 酸和碱可以是分子也可以是离子 有的离子在某个共轭酸碱对中是碱 但在另一个共轭酸碱对中却是酸 如HSO4 等 质子理论中没有盐的概念 酸碱反应的实质是两个共轭酸碱对之间的质子传递 3 酸碱反应 酸越强 其共轭碱越弱 碱越强 其共轭酸越弱 反应总是由相对较强的酸和碱向生成相对较弱的酸和碱的方向进行 根据质子理论 许多反应都可以归结为酸碱质子传递反应 酸碱解离反应是质子传递反应 如HF在水溶液中的解离反应是由给出质子的半反应和接受质子的半反应组成的 HF aq H F aq H H2O l H3O aq HF aq H2O l H3O aq F aq 水是两性物质 它的自身解离反应也是质子转移反

4、应 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 H2O l H2O l H3O aq OH aq 盐类水解反应也是离子酸碱的质子转移反应 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 NH4Cl水解 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 Ac H2OOH HAc NaAc水解 H2OH3O NH3 非水溶液中的酸碱反应 也是离子酸碱的质子转移反应 例如NH4Cl的生成 液氨中的酸碱中和反应 酸碱质子理论扩大了酸碱的含义和酸碱反应的范围 摆脱了酸碱必须在水中发生的局限性 解决了一些非水溶剂或气体间的酸碱反应 并把水溶液中进行的离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应 但是 酸碱质子理论只限于质子的放出和接受 所以必须含有氢 这就

5、不能解释不含氢的一类的反应 1 水的离子积 纯水有微弱的导电性 说明纯水有弱的解离 水的自偶电离 H2O H2OH3O OH 可简写为 H2OH OH 9 2水的离子积和pH 根据化学平衡定律有 Kw 水的离子积常数 实验测得 T 298K 25 C 时 H OH 1 0 10 7mol L 1 1 0 10 14 水的离子积常数与温度的关系 水的离子积随温度的升高而增大 但变化不大 在室温时取 当溶液中的 H OH 很小时 为了方便的表示溶液的酸度 通常用pH表示溶液的酸碱性 2 溶液的pH值 同一溶液 水溶液的酸碱性 由于水呈中性 且水中 H OH 1 0 10 7mol L 1所以 H

6、OH 1 0 10 7mol L 1溶液呈中性 pH 7 H OH H 1 0 10 7mol L 1溶液呈酸性 pH7 9 3酸碱盐溶液中的电离平衡 9 3 1强电解质溶液9 3 2弱电解质溶液9 3 3拉平效应和区分效应 9 3 1强电解质溶液 强酸 强碱和所有的盐类在经典电离理论中称为强电解质 当它们进入水中 将完全电离 生成离子 如 HCl H aq Cl aq HNO3 H aq NO3 aq NaOH Na aq OH aq Na3PO4 3Na aq PO43 aq NH4Cl NH4 aq Cl aq 完全电离是经典电离理论的概念 应该指出的是 上述 完全电离 并不意味着这样酸

7、碱盐电离产生的产物 正 负离子 不再与水有进一步作用的可能 氯化铵电离产生的NH4 按酸碱质子理论 是一个质子酸 质子给予体 它可以与水发生质子传递反应而使溶液的pH 7 NH4 H2ONH3 H3O 简写 NH4 NH3 H 再如 H2SO4在水中的 完全电离 仅指其一级电离生成H 和HSO4 而已 而HSO4 的电离则并不完全 属于中强酸的范畴 还须指出 上述的 完全电离 只对稀溶液才是合理的近似 对于浓溶液 情况就完全不同了 9 3 2弱电解质 弱电解质是指弱酸和弱碱在水中的不完全电离 弱电解质在水中的电离存在电离平衡 如 HAc H2OH3O Ac 或简写为 HAcH Ac 电离度 a

8、 电解质 强电解质 1弱电解质 1 对于 HAcH Ac 在一定温度下 Ka称为弱酸的电离平衡常数 简称为酸常数 NH3 H2ONH4 OH Ka和Kb是化学平衡常数的一种形式 利用电离常数数值的大小 可以估计弱电解质电离的趋势 K值越大 电离程度越大 通常把Ka 10 2 10 7的酸称为弱酸 Ka 10 7的酸称为极弱酸 弱碱亦可按Kb大小进行分类 共轭酸碱常数的关系 A H2OOH HA Ka Kb KW 弱酸弱碱在溶液中的电离平衡常数 拉平效应 溶剂 如水 将酸或碱的强度拉平的作用 称为溶剂的 拉平效应 如 HCl HI HNO3 HClO4等强酸在水中 完全电离 因而它们的同浓度水溶

9、液的pH相同 这意味着它们酸的强度是相同的 9 3 3拉平效应和区分效应 然而 这些强酸结构中与可电离氢原子结合的化学键并不相同 为什么电离能力相同呢 酸在水中电离出氢离子是与水分子作用的结果 HA H2OH3O A 强酸在水中表现出相同的强度是由于水能够同等程度地将HClO4 HCl HNO3等强酸的质子全部夺取过来 区分效应 用一个溶剂能把酸或碱的相对强弱区分开来 称为溶剂的 区分效应 例如 H2O可以区分HAc HCN酸性的强弱 即水是HI HBr HCl的拉平溶剂 却是HCl HAc HCN的的区分溶剂 选取比水的碱性弱的非水溶剂 如以冰醋酸为溶剂 对水中的强酸可体现出区分效应 例如上

10、述强酸在冰醋酸中不完全解离 酸性强度依次为 HClO4 HI HBr HCl HNO3 H2SO4 一级 9 4水溶液化学平衡计算 9 4 1一元弱酸9 4 2一元弱碱9 4 3同离子效应和盐效应9 4 4多元酸9 4 5多元碱9 4 6酸碱两性物质的电离 9 4 1一元弱酸 HA aq H aq A aq 初始浓度c00平衡浓度c H H A 或平衡浓度c c c c 稀释定律 在一定温度下 Ka为定值 某弱电解质的解离度随着其溶液的稀释而增大 例 计算0 10mol L 1HAc溶液的pH pOH和电离度 解 常见弱酸的Ka可在化学手册中查到 见教材P409 413附表3 9 4 2一元弱

11、碱 B H2OHB OH Kb为一元弱碱的解离平衡常数 同样 c00 20000 例 已知25 时 0 200mol L 1氨水的解离度为0 95 求 OH pH值和氨的解离常数 解 ceq0 200 1 0 95 0 200 0 95 0 200 0 95 OH 0 200 0 95 1 9 10 3 mol L 1 pH 14 pOH 14 lg1 9 10 3 11 27 弱酸 弱碱的浓度增大 解离度 减小 但并不意味着溶液中的 H OH 减小 为什么 9 4 3同离子效应和盐效应 平衡移动方向 1 同离子效应 NaAc aq Na aq Ac aq HAc aq H aq Ac aq

12、同离子效应 在弱电解质溶液中 加入与其含有相同离子的易溶强电解质 使弱电解质的电离平衡向左移动 从而使弱电解质的电离度降低的现象 平衡移动方向 NaClCl aq Na aq HAc aq H aq Ac aq 2 盐效应 盐效应 在弱电解质溶液中 加入没有共同离子的易溶强电解质而使弱电解质的电离度增大的作用 盐效应和同离子效应的对弱电解质电离平衡的影响哪个大 为什么 通常因为盐效应的影响较弱 一般不考虑其影响 但在难溶电解质的沉淀溶解平衡时不能忽略盐效应的影响 如果盐效应的影响不能忽略时怎么办 例 在0 10mol L 1的HAc溶液中 加入NH4Ac s 使NH4Ac的浓度为0 10mol

13、 L 1 计算该溶液的pH值和HAc的解离度 ceq mol L 1 0 10 xx0 10 x c0 mol L 1 0 1000 10 解 HAc aq H aq Ac aq x 1 8 10 5c H 1 8 10 5mol L 1 0 10 x 0 10 对比 0 10mol L 1HAc溶液 pH 2 89 1 3 pH 4 74 0 018 9 4 4多元弱酸 多元弱酸 HnBn 1多元弱酸的电离是分级进行的 例 H2SH HS HS H S2 总电离平衡 H2S2H S2 此式只表明平衡时 H S2 H2S 三种浓度的关系 而不说明实际的电离过程 问题 在上述H2CO3 H2S的

14、电离平衡表达式中 Ka1和Ka2中的 H 相同吗 Ka1和Ka2的相对大小怎样 为什么 多元弱酸溶液中 H 的计算 对于多元弱酸于通常 溶液中的 H 主要来自于弱酸的第一步电离 因此可以按一元弱酸进行近似处理 当c 酸 Ka1 500时 溶液中的 H 如何计算 例 计算0 1mol L 1的H2S水溶液 饱和水溶液 的 H HS S2 及pOH H2SH HS 起始浓度0 100平衡浓度0 1 xxxc Ka1 500 0 1 x 0 1 x2 0 1 Ka1x H HS 1 03 10 4mol L 1由二级平衡 HS H S2 平衡浓度 1 03 10 4 y1 03 10 4 yy S2

15、 y Ka2 1 26 10 13 H OH Kw OH 9 7 10 11mol L 1pOH 10 01 注意 H2S饱和水溶液即为H2S的浓度为0 lmol L 1 例 在0 3mol L 1的盐酸溶液中通入H2S水溶液至饱和 求溶液中的 HS 和 S2 解 H2SH HS 起始浓度0 10 30平衡浓度0 1 x0 3 xx 由二级平衡 HS H S2 平衡浓度 3 57 10 8 y0 3 x yy S2 y Ka2 HS H 1 26 10 13 3 57 10 8 0 3 1 5 10 20 mol L 1 或按偶联反应 多重平衡 H2S2H S2 结论 多元弱酸的解离是分步进行

16、的 一般 溶液中的H 主要来自于弱酸的第一步解离 计算 H 或pH时可只考虑第一步解离 对于二元弱酸 当时 c 酸根离子 而与弱酸的初始浓度无关 对于二元弱酸 若c 弱酸 一定时 c 酸根离子 与c2 H 成反比 多元弱碱在水中解离也是分步进行的 如Na3PO4 9 4 5多元弱碱 多元弱碱溶液中 OH 的计算可以进行类似处理 当c 碱 Kb1 500时 例 试计算0 1mol L 1Na2S溶液中 S2 OH 以及S2 的电离度 解 S2 在水溶液中的分步电离平衡S2 H2OOH HS HS H2OOH H2S由于Kb1 Kb2 溶液 OH 取决于第一步电离 S2 H2OOH HS 起始浓度0 100平衡浓度x0 1 x0 1 x OH HS S2 Kb1 KW Ka2 H2S Kb1 1 0 10 14 1 26 10 13 0 079 0 1 x 2 x 0 079 c Kb 0 1 0 079 1 27 500 所以需解方程 x2 0 279x 0 01 0解得 x 0 042mol L 1 S2 OH 0 1 0 042 0 058mol L 1 0 058 0 1 100