分析化学课件之—— (5).ppt

第9 10课时 教学要求 教学重点 教学难点 课后作业 教学内容 第5 6学时教学内容 titrimetricanalysis 2 两性物质溶液PH值的计算 3 其它酸碱溶液PH值的计算 1 一元弱酸 碱 溶液PH值的计算 4 3酸碱溶液PH值的计算 4 4酸碱滴定终点的指示方法 4 5一元酸碱的滴定 教学要求 一记住计算各溶液PH值的最简式并会计算各溶液的PH值 二记住酚酞 甲基橙 甲基红的变色范围 三会计算滴定曲线 PH值和PH值突跃范围 四掌握选择指示剂的原则 五掌握一元弱酸碱滴定条件的判断 K 10 8 教学重点及难点 教学重点 教学难点 利用最简式计算各溶液PH值 求滴定过程中某一点的PH值 指示剂的选择原则 一元弱酸 碱 滴定条件 问题 1 共轭酸碱对定义 2 多元酸Ka与Kb的对应关系 三元酸 3 NH3 H2O水溶液的质子条件4 NH4H2PO4水溶液的质子条件 NH4HCO3水溶液的质子条件 NH4 HCO3 和H2O H H2CO3 CO32 NH3 OH 参考水平 质子条件 Na2HPO4水溶液的质子条件 选择H2O和HPO42 为参考水平 质子条件 H H2PO4 2 H3PO4 PO43 OH 注意 当质子转移数在2个以上时 必须要在浓度前加上相应的系数 4 3 2一元弱酸 碱 溶液pH的计算 质子条件 H A OH 代入质子条件 因为 设 弱酸为HA 首先找出弱酸的质子条件 H 3 Ka H 2 cKa Kw H KaKw 0 HA C HA C 总浓度 代入 式 整理 得 解此方程非常麻烦 也没有必要 此为计算一元弱酸溶液中 H 的方程 可以根据具体情况进行近似处理 使计算简化 由质子转移反应可知 溶液中的 H 来自于HA和H2O的离解 当HA的C及Ka比较大时 则溶液中的 H 主要来自于HA的离解 因为 1 计算时采用浓度 未用活度 存在误差 2 各种常数KaKw本身就存在一定的误差 3 分析化学在计算溶液酸度时允许有5 的误差 根据计算允许有5 误差的要求 当CKa 10Kw时 H2O的离解可忽略 即式 中的Kw可略去 则 式简化为 代入 整理得 近似式 CKa 10Kw 由离解反应可知 若Ka不大时 HA离解能力较弱 此时 HA C 能否用C代替 HA 取决于计算允许的误差 根据5 误差的要求 经过计算 当C Ka 105时 可用C代替 HA 则 式变为 需要同时满足C Ka 105和CKa 10Kw两个条件 这是计算一元弱酸溶液的最简式 最常用 一元弱碱溶液pH的计算 与一元弱酸相同 只是将Ka换成Kb H 换成 OH 即可 得到的是 OH 的浓度 同时满足C Kb 10Kw时 可用C代替平衡浓度 当CKb 10Kw时 可忽略Kw 例4 计算10 4mol L 1的H3BO3溶液的pH 已知pKa 9 24 按最简式计算 两种计算 H 相对误差约为 8 可以用总浓度c近似代替平衡浓度 H3BO3 解 cKa 10 4 10 9 24 5 8 10 14 10Kw 水解离产生的 H 项不能忽略 不能忽略Kw c Ka 10 4 10 9 24 105 24 105 pH 6 59 pH 6 62 判定 例5 求0 12mol L 1一氯乙酸溶液的pH 已知pKa 2 86 pH 1 92 不能用总浓度近似代替平衡浓度 解 cKa 0 12 10 2 86 10Kw 水解离的 H 项可忽略 能忽略Kw 又c Ka 0 12 10 2 86 87 105 按最简式计算 pH 1 89 两种计算 H 相对误差约为8 例6 已知HAc的pKa 4 74 求0 30mol L 1HAc溶液的pH pH 2 64 符合两个简化的条件 可采用最简式计算 解 cKa 0 30 10 4 74 10Kwc Ka 0 30 10 4 74 105 4 3 3两性物质溶液pH的计算 如 NaHCO3 K2HPO4 NaH2PO4 邻苯二甲酸氢钾等的水溶液 以NaHA为例 质子转移反应为 两性物质的定义 在溶液中既起酸的作用 可给出质子 又起碱的作用 可接受质子 的物质 将平衡常数Ka1 Ka2及KW代入上式 得 整理 得 选择为HA 和H2O为参考水平 质子条件 H2A H A2 OH 精确计算式 1 HA 得 失质子能力都较弱 则 HA c 2 若允许有5 误差 cKa2 10Kw时 可略去Kw项 得近似计算式 3 如果c Ka1 10 则分母中的Ka1可略去 可得 最简式 满足 c Ka1 10 cKa2 10Kw 若两性物质为HA2 型 则判定条件为 最简式 将公式 转换为直接计算pH值 满足 c Ka2 10 cKa3 10Kw 例6 计算0 10mol L 1的邻苯二甲酸氢钾溶液的pH 解 查表 邻苯二甲酸氢钾pKa1 2 89 pKa2 5 54pKb2 14 2 89 11 11从pKa2和pKb2可以认为 HA c cKa2 0 1 10 5 54 10Kwc Ka1 0 1 10 2 89 77 6 10 pH 4 22 例7 分别计算0 05mol L 1NaH2PO4和3 33 10 2mol L 1Na2HPO4溶液的pH 解 查表得H3PO4的pKa1 2 12 pKa2 7 20 pKa3 12 36可以认为平衡浓度等于总浓度 1 对于0 05mol L 1NaH2PO4溶液cKa2 0 05 10 7 20 10KwKw项可略去 c Ka1 0 05 10 2 12 6 59 10分母中的Ka1不能略去 pH 4 70 2 对于3 33 10 2mol L 1Na2HPO4 HA2 型 溶液 则判定条件为将有关公式中的Ka1和Ka2分别换成Ka2和Ka3 cKa3 3 33 10 2 10 12 36 1 45 10 14 KwKw项不能略去 c Ka2 3 33 10 2 10 7 20 10分母中的Ka2可略去 pH 9 66 4 3 4强酸溶液的计算 当强酸溶液的浓度为 C 4 7 10 7mol L时 当强酸溶液的浓度为 4 7 10 7mol L C 1 0 10 8mol L 要考虑水的离解 当强酸溶液的浓度为 C 1 0 10 8mol L时 强酸的浓度如此之低 与水离解出的相比 它的离解可以忽略 强碱溶液 计算相同 只是将 H 改为 OH 即可 H C 通式 此时 H OH 10 7mol L 4 3 5二元弱酸溶液pH的计算 对于二元弱酸来说 一般其Ka1 Ka2 所以它的第一级离解是H 的主要来源 为简化计算 可以将其先按一元弱酸来处理 计算出 H 后 再用下面的判定式 检验 若符合 式 则二元弱酸就可以按一元弱酸来处理 若cKa1 10Kw时 可略去Kw项 得近似式 若同时满足C Ka1 105条件时 可用C代替 H2A 得最简式 再用 检验 由一元弱酸的精确计算式 例10 求0 090mol L 1酒石酸溶液的pH值 解 酒石酸为二元酸 Ka1 10 3 04 Ka2 10 4 37 cKa1 0 090 10 3 04 10Kw C Ka1 0 090 10 3 04 99 105 用近似式计算 pH 2 07 检验 将酒石酸按一元酸计算是允许的 例11 计算0 20mol L 1Na2CO3溶液的pH 解 查表得H2CO3pKa1 6 38 pKa2 10 25 故pKb1 pKw pKa2 14 10 25 3 75 同理pKb2 7 62由于Kb1 Kb2 可按一元碱处理 cKb1 0 20 10 3 75 10Kwc Kb1 0 20 10 375 1125 105 H 1 7 10 12mol L 1 pH 11 77 检验 可按一元碱处理 4 3 6缓冲溶液pH值的计算 1 定义 缓冲溶液是一种对溶液的酸度起稳定作用的溶液 即当向溶液中加入少量的酸或碱 或者化学反应中产生了少量的酸或碱 或者将溶液稍加稀释 溶液的酸度基本稳定不变 用作控制溶液的酸度 称为缓冲溶液 大多数缓冲溶液的用途 见书P413附录三 1 缓冲溶液一般是由浓度较大的弱酸及其共轭碱所组成 如 HAc Ac NH4 NH3等 2 缓冲溶液的用途 用作测量溶液pH值的参照标准 称为标准缓冲溶液 见书P414附录三 2 3 缓冲溶液pH值的计算 根据物料平衡和电荷平衡 可以推导出计算缓冲溶液pH值的精确式为 精确式太复杂 无法计算缓冲溶液pH值 应进行近似处理 设缓冲溶液由弱酸HB及其共轭碱B 所组成 HB B 浓度分别为CHB及CB 当pH 6时 H OH 可忽略 OH 当pH 8时 OH H 可忽略 H 当CHB OH H CB H OH 时 近似式 近似式 最简式 例11 NH3 NH4Cl混合溶液中 NH3的浓度为0 8mol L NH4Cl浓度为0 9mol L 求该混合溶液的pH值 解 查表得NH3的pKb 4 74 由公式 CHB OH H CB H OH 所以 采用最简式是允许的 4 缓冲容量与缓冲范围 缓冲容量 抵御外界酸碱的能力 浓度越大 缓冲容量就越大 超过这两个范围时 就失去缓冲能力 缓冲范围 缓冲溶液具有缓冲能力的pH范围 缓冲容量与缓冲溶液的浓度有关 缓冲容量还与CB CHB的比值有关 当CB CHB比值为1时 缓冲容量最大 当CB CHB比值为1 10或10 1时 缓冲容量最小 由 缓冲溶液的缓冲范围是 5 缓冲溶液的选择原则 缓冲溶液的浓度要比较大 以保证有足够的缓冲容量 缓冲溶液对分析过程没有干扰 pH pKa 缓冲容量比较大 高浓度的强酸和强碱本身就是缓冲溶液 具有较强的缓冲能力 pH 12时 选择强碱作缓冲溶液 pH 2时 选择强酸作缓冲溶液 表4 2常用的缓冲溶液 几种酸溶液计算 H 的公式及使用条件 1 a 精确计算式 b 近似式 应用条件 c 最简式 应用条件 c Ka 105 cKa 10Kw 一元弱酸 两性物质 最简式 应用条件 c Ka1 10 cKa2 10Kw c Ka 105 CKa 10Kw 几种酸溶液计算 H 的公式及使用条件 2 a 近似计算式 应用条件 c Ka1 10Kw 2Ka2 H 1 b 最简式 应用条件 c Ka1 105 cKa1 10Kw2Ka2 H 1 二元弱酸 最简式 应用条件 ca OH H cb H OH 缓冲溶液 课后作业 思考题 习题 P635 8 15题 P629 11题 4 4酸碱滴定终点的指示方法 由于多数的酸碱不具有颜色 因此 进行酸碱滴定时 到达化学计量点后 往往没有任何能为人察觉的外部特征 那么 如何来判断反应到达了化学计量点呢 即滴定分析中的终点如何判断呢 通常采用以下两种方法 指示剂法 电位滴定法 利用指示剂在化学计量点附近发生颜色突变而指示滴定终点的方法 1 原理 酸碱指示剂一般都是有机弱酸或弱碱 其酸式结构及其共轭碱式结构分别具有不同的颜色 当溶液的pH值发生改变时 指示剂的结构随pH发生变化 从而引起指示剂颜色的改变 达到指示滴定终点的目的 即 4 4 1指示剂法 酚酞 三苯甲烷类 变色范围 8 10 动画 酚酞变色演示 2 常用的酸碱指示剂 碱滴定酸时用 无色变红色 变色范围 甲基橙 偶氮类结构 有机弱碱 黄色的甲基橙分子 在酸性溶液中获得一个H 转变成为红色阳离子 3 1 4 4橙红色变黄色 动画 酸滴定碱时用 黄色变橙色 变色范围 3 指示剂的变色范围 HIn H In 指示剂的颜色转变取决于 In HIn 比值的大小 In 代表碱式色的颜色深度 HIn 代表酸式色的颜色深度 以HIn为例 HIn在溶液中的平衡可用下式表示 In HIn 比值与KHIn H 有关 KHIn为常数 因此 In HIn 比值 决定指示剂颜色 随溶液 H 的改变而改变 指示剂变色范围 pKHIn 1 In HIn 1 10时 1 10时 碱色 勉强辨认出酸色 In HIn 10 1时 1时 碱色 10 1时 酸色 酸色 勉强辨认出碱色 中间颜色 表4 3几种常用酸碱指示剂的变色范围 4 混合指示剂 利用指示剂颜色之间的互补作用 使指示剂变色范围变窄 颜色变化敏锐 易观察 例 三份溴甲酚绿与一份甲基红组