第四章 酸碱平衡.ppt
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1、第四章第四章:酸碱平衡酸碱平衡酸碱质子理论酸碱质子理论水溶液的酸碱性水溶液的酸碱性弱酸弱碱的电离平衡弱酸弱碱的电离平衡41 酸碱理论酸碱理论一、一、S.Arrhenius 酸碱理论(经典酸碱理论)酸碱理论(经典酸碱理论)瑞典科学家瑞典科学家S.Arrhenius于于1887年提出年提出 二、酸、碱质子理论(二、酸、碱质子理论(Proton Theory of Acid and Base)1923年丹麦化学家年丹麦化学家Brnsred(布朗斯特)和英国(布朗斯特)和英国化学家化学家Lowry(劳莱)提出。(劳莱)提出。三、酸碱电子理论三、酸碱电子理论 1923年年,由美国物理化学家由美国物理化学
2、家Lewis提出提出,又称又称Lewis酸碱理论。酸碱理论。一一.经典酸碱理论经典酸碱理论(一一)酸碱定义酸碱定义 电离时产生的阳离子全部是电离时产生的阳离子全部是H+的化合物称为的化合物称为“酸酸”;电离;电离时产生的阴离子全部是时产生的阴离子全部是OH的化合物称为的化合物称为“碱碱”。(二二)经典酸碱理论的优点经典酸碱理论的优点从组成上揭示了酸碱的本质,指出从组成上揭示了酸碱的本质,指出H+是酸的特征是酸的特征OH是碱的是碱的特征。特征。解释了解释了“中和热中和热”的值的值 找出了衡量酸、碱强度的标度(找出了衡量酸、碱强度的标度(Ka、Kb、pH)(三三)经典酸碱理论的局限性经典酸碱理论的
3、局限性酸碱被限于水溶液酸碱被限于水溶液,非水体系不适用非水体系不适用 例例1:液氨中,:液氨中,KNH2(氨基化钾氨基化钾)使酚酞变使酚酞变红红碱?碱?液氨中,液氨中,Ca与与NH4Cl反应,放出反应,放出H2例例2:水溶液:水溶液 HSO4 酸?碱?酸?碱?Na2CO3 碱?碱?碱被限制为氢氧化物碱被限制为氢氧化物 过去认为:过去认为:NH4+半径半径143pm,K+半径半径139pm,NH4OH应为强碱,但实际上氨水应为强碱,但实际上氨水是弱碱,而且从未分离出是弱碱,而且从未分离出NH4OH。二二.酸、碱质子理论酸、碱质子理论(一)酸碱定义(一)酸碱定义 凡能给出凡能给出H+(质子)的分子
4、或离子均是酸(质子)的分子或离子均是酸,凡能得到凡能得到H+(质子)的分子或离子均是碱。(质子)的分子或离子均是碱。酸酸 H+给予体(给予体(Proton donor)碱碱 H+接受体(接受体(Proton acceptor)两性电解质两性电解质 既能给出质子,又能接受质子的分子或既能给出质子,又能接受质子的分子或 离子,称为离子,称为“两性电解质两性电解质”(ampholyte)简称)简称“两性物两性物”。酸酸 分子分子 HCl,H2SO4,H3PO4,H2O,NH3离子离子 NH4+,HSO4,H2PO4,HPO42碱碱 分子分子 H2O,NH3离子离子 OH,HSO4,H2PO4,HPO
5、42两性物两性物 分子分子 H2O,NH3离子离子 OH,HSO4,H2PO4,HPO42 NH3+H+=NH4+NH3(l)=NH2(l)+H+(l)(二)酸碱共轭关系(二)酸碱共轭关系 酸强度越强,其共轭碱(酸强度越强,其共轭碱(conjugate base)强度越弱。)强度越弱。在水溶液中,共轭酸碱对的强度还可以定量表示在水溶液中,共轭酸碱对的强度还可以定量表示质子酸质子酸1+质子碱质子碱2=质子碱质子碱1+质子酸质子酸2电离电离 HAc +H2O=H3O+Ac NH3+H2O=NH4+OH中和反应中和反应 HAc+OH =H2O+Ac (弱酸强碱)弱酸强碱)H3O+NH3 =NH4+H
6、2O (强酸弱碱)(强酸弱碱)H3O+OH =H2O+H2O (强酸强碱)(强酸强碱)盐水解盐水解 Ac +H2O=HAc+OH复分解复分解 NH4+OH NH3+H2O 酸酸1 +碱碱2 碱碱1+酸酸2 电离,中和电离,中和,盐水解盐水解,复分解反应都称酸碱反应。复分解反应都称酸碱反应。酸碱反应的方向:酸碱反应的方向:强酸强酸1+强碱强碱2 弱酸弱酸2+弱碱弱碱1不受水溶液,水,非水溶液,气固相的限制不受水溶液,水,非水溶液,气固相的限制(三)共轭酸碱(三)共轭酸碱 强电解质的电离强电解质的电离 HCl +H2O =H3O+Cl 强酸强酸1 强碱强碱2 弱酸弱酸2 弱碱弱碱1 酸性:酸性:H
7、Cl H3O+碱性:碱性:H2O Cl强酸和强碱作用生成弱酸弱碱的过程,是不可逆过程。强酸和强碱作用生成弱酸弱碱的过程,是不可逆过程。弱酸的电离弱酸的电离 HAc +H2O =H3O+Ac 弱酸弱酸1 弱碱弱碱2 强酸强酸2 强碱强碱1 NH3 +H2O =NH4+OH 弱碱弱碱1 弱酸弱酸2 强酸强酸2 强碱强碱1酸性:酸性:HAc H3O+碱性:碱性:H2O Ac酸性:酸性:H2O NH4+碱性:碱性:NH3 110-7 溶液酸性 H+r =110-7 溶液中性 H+r 110-7 溶液碱性pH标度:标度:为了方便指示水溶液的酸碱性,丹麦科学家S.P.L.Srensen在1909年提出pH
8、标度。定义:pH=-lg H+r(SI规定:物理量的符号用斜体字书写,但pH 和pOH 例外,用正体字母书写)例:某水溶液中H+=3.010-10moldm-3,求其pH值 由于水溶液中:两边取负对数:pOH=-lg OH-同样,定义一些一些“溶液溶液”的的pH值值 人血液人血液 7.4牛奶牛奶 6.8雨雨 5.7番茄汁番茄汁 4.2葡萄酒葡萄酒 3.4柠柠檬汁檬汁 2.2胃液胃液 1.3人血液人血液 pH 超出超出0.4将有生命危险。将有生命危险。pH 标度标度适用范围适用范围:1 H+r 1 1014三、酸碱指示剂三、酸碱指示剂借助颜色变化指示溶液酸碱性的物质,称为“酸碱指示剂”。例:甲基
9、橙(HIn)是一种弱酸,在水溶液中存在电离平衡:电离常数(酸常数):在一定温度下,在一定温度下,Ka为常数为常数 pH观察到溶液颜色 1/1橙(中间色)4.210/1黄(碱色)1/10红(酸式)指示剂变色范围指示剂变色范围指肉眼能观察到的指示剂变色的范围。由由 H+=(Ka HIn)/In两边取负对数两边取负对数,得指示剂变色范围为:得指示剂变色范围为:pH=pKi 1 用指示剂指示变色范围是粗略的,还可以使用用指示剂指示变色范围是粗略的,还可以使用pH广广泛泛试纸(试纸(pH114)或精密)或精密pH试纸;精密测量水溶液试纸;精密测量水溶液的的pH值,值,可使用各种可使用各种pH计。计。常见
10、指示剂的变色范围常见指示剂的变色范围指示剂变色范围酸色过渡色碱色甲基橙 3.14.4红 橙黄甲基红 4.46.2红 橙黄石 蕊 5.08.0红 紫蓝酚 酞8.010.0无色 粉红玫瑰红43 弱酸弱碱的电离平衡弱酸弱碱的电离平衡 一、一元弱酸(弱碱)的电离平衡一、一元弱酸(弱碱)的电离平衡 电离平衡常数 电离度(a)有关电离的计算 影响电离平衡的因素 二、多元弱酸的电离平衡二、多元弱酸的电离平衡 电离平衡常数电离平衡常数:例:例:HAc+H2O=H3O+Ac-简为:HAc=H+Ac-Ka 10 2 强酸强酸 Kb 102 强碱强碱 =102 105 中强酸中强酸 =102 105 中强碱中强碱
11、105 弱酸弱酸 105 弱碱弱碱对于指定的酸(碱),对于指定的酸(碱),Ki 只与温度有关,而与酸(碱)溶液只与温度有关,而与酸(碱)溶液的起始浓度无关。的起始浓度无关。电离度(电离度(a)定义定义:即电离平衡时电解质已电离部分占总量 的百分比。表示电解质在指定条件下电离的程度(类似于表示电解质在指定条件下电离的程度(类似于“化学平衡化学平衡”讨论中的讨论中的“转化率转化率”),它不但与),它不但与Ki 有关,而且与电解质的有关,而且与电解质的起始浓度有关。起始浓度有关。电离度与电离平衡常数的关系电离度与电离平衡常数的关系 例:例:HAc =H+Ac-起始相对浓度 c 0 0 平衡相对浓度
12、c-ca ca ca当 a 400 Ka=X2/0.10与精确解与精确解(1.34103)相对误差相对误差0(吸热)T K i ln(Ki2/Ki1)=(H/R)(T 2-T 1)/(T 2T 1)T/KKa(HAc)Kb(NH3)2731.65710-51.34710-52831.72910-51.57010-52931.75310-51.71010-53031.76010-51.82010-5在在R.T.范围,范围,Ki 随随T 的变化小,可忽略。的变化小,可忽略。HAc+NaAc溶液溶液 强电解质强电解质 强电解质强电解质 弱电解质弱电解质浓度改变使平衡移动浓度改变使平衡移动,Ac 浓度
13、增大将使平衡浓度增大将使平衡向左移动,使电离度减小,但向左移动,使电离度减小,但Kb不变(因不变(因T 不变)。不变)。例:例:把 NaAc(s)加到(忽略溶液体积的变化),求H+和a(已知298K,HAc Ka=1.76 10-5)溶液中,使 解:解:HAc+H2O=H3O+Ac 简为:简为:HAc =H+Ac 起始相对浓度起始相对浓度 0.10 0 0 平衡相对浓度平衡相对浓度 0.10 x x 1.0 H+(Kac酸酸)/c共轭碱共轭碱 Ka=(H+c共轭碱共轭碱)/c酸酸=1.76 105 X=H+=1.76 106 (H+(Kac酸酸)/c共轭碱共轭碱)a=X/c酸酸 100%=1.
14、76106/0.10 100%=0.00176%对比未外加对比未外加NaAc:H+=1.3 103 a=1.3%可见,可见,NaAc的加入使的加入使 a,但,但K b不变。不变。同离子效应同离子效应在一定温度下,向弱电解质在一定温度下,向弱电解质溶液中加入含有相同离子的强电解质,使溶液中加入含有相同离子的强电解质,使弱电解质的电离平衡向电离度减小的方向弱电解质的电离平衡向电离度减小的方向移动,称为移动,称为“同离子效应同离子效应”“同离子效应同离子效应”应用应用配制配制“缓冲溶液缓冲溶液”(Buffer solutions)例:例:HAc NaAc 弱酸与其共轭碱弱酸与其共轭碱 NH3 NH4
15、Cl 弱碱与其共轭酸弱碱与其共轭酸实验No.溶液 pH(计算)pH(实验实验)15.004.842No.1+4.934.793NO.1+5.074.91可可见见,加加入入少少量量强强酸酸(或或强强碱碱)溶溶液液后后,对对No.1溶溶液液的的pH影响很小。影响很小。No.1溶液是溶液是“缓冲溶液缓冲溶液”。缓冲溶液缓冲溶液能够抵抗外加的少量强酸、强碱或稀释的能够抵抗外加的少量强酸、强碱或稀释的影响,本身的影响,本身的pH不显著变化的溶液。不显著变化的溶液。缓冲作用原理缓冲作用原理定性解释定性解释c HAc c NaAc较大,而H+较小。HAc的电离平衡左移,a ,重新平衡时H+增加不多。例:例:
16、HAcNaAc 缓冲溶液 外加少NaOH(aq):外加少量HCl(aq):HAc电离平衡右移,电离平衡右移,a,重新平衡时,重新平衡时H+减少不多。减少不多。加少量水稀释:加少量水稀释:c HAc,据稀释定律:,据稀释定律:a,使达到新平衡时,使达到新平衡时H+减少不多减少不多缓冲作用原理缓冲作用原理定量计算定量计算HAcNaAc缓冲溶液:NaAc Na+Ac-HAc =H+Ac-Ka=(H+Ac-)/HAc Ka=(H+c共轭碱)/(c酸-H+)c酸-H+c酸 H+Ka c酸酸/c共轭碱共轭碱对碱共轭酸组成的碱性缓冲液:可见,缓冲液可见,缓冲液pH(或(或pOH)值取决于共轭酸碱对的浓度)值
17、取决于共轭酸碱对的浓度比。若比。若C酸酸/C共轭碱(或共轭碱(或C碱碱/C共轭酸)共轭酸)=1:1,此时,此时“缓缓冲能力冲能力”最大。最大。通常通常 c酸酸c共轭碱(或共轭碱(或c碱碱c共轭酸)浓度各为共轭酸)浓度各为0.1 1 mol.dm3,而而c酸酸/c共轭碱(或共轭碱(或c碱碱/c共轭酸)共轭酸)=1/10 10/1时:时:pH=pKa 1 pOH=pKb 1 共轭酸共轭酸碱对作缓冲溶液时碱对作缓冲溶液时,它们不应与在该缓冲溶液,它们不应与在该缓冲溶液 中的反应物或产物发生化学反应。中的反应物或产物发生化学反应。缓冲溶液应用:工业、农业、生物、医学、化学缓冲溶液应用:工业、农业、生物
18、、医学、化学例例1:人血 人生命有危险。人血中含缓冲对:例例2:分析化学 NH3 NH4Cl pH=9.0 缓冲液中:完全,而 不沉淀。例例3:土壤中,硅酸,磷酸,腐植酸与其盐组成:土壤中,硅酸,磷酸,腐植酸与其盐组成“缓冲缓冲对对”,pH=5.08.0的土壤适合农作物生长。的土壤适合农作物生长。盐效应盐效应(Salt Effect)例例1:把:把NaCl(s)加入到加入到 HAc溶液中溶液中 No.溶液11.3%21.7%盐效应盐效应在弱电解溶液中,加入不含有共同离子的在弱电解溶液中,加入不含有共同离子的强电解质溶液,使其电离度稍有增加的现象。发生盐强电解质溶液,使其电离度稍有增加的现象。发
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