电解质溶液和电离平衡(参考.ppt

第四章电解质溶液和电离平衡 溶液初步知识水的电离及pH值酸碱理论和弱电解质电离平衡缓冲溶液盐类的水解平衡沉淀溶解平衡 第一节溶液 一 溶液的基本概念1 定义 两种或两种以上物质均匀混合而且彼此呈分子状态分布者称为溶液 solution 溶液可分为气体溶液 固态溶液和液态溶液 通常研究的液态溶液 是一个多组分均相体系 其中溶剂 溶质 通常把溶解在液体中的含量较多的一种称为溶剂 含量少的称为溶质 大多数的反应都是在水溶液中进行的 溶质的性质就决定了溶液的性质 化合物 溶质 的分类 导电性 电解质 非电解质 在溶解或熔融状态下能导电的化合物 在溶解或熔融状态下不能导电的化合物 电解质的类型 溶于水后的电离程度 离子化合物 强极性共价化合物 强酸 强碱 大部分盐类 弱极性共价化合物 弱酸 弱碱 少数盐类 强电解质 弱电解质 2 表示方法 溶液中包含组分A B 1 物质的量分数 摩尔分数 溶液中组分B的物质的量与溶液中总的物质的量之比 无单位 2 质量摩尔浓度 溶液中溶质B的物质的量和溶剂A的质量之比 单位是mol kg 3 物质的量浓度C 物质B的物质的量除以溶液的体积 单位为mol L或mol m3 4 质量分数 物质B的质量除以溶液的总质量 无单位 各种表示方法的转化 与稀溶液中 与C稀溶液中 C与稀溶液中 3 溶解过程某一温度下 在一种液体中加入溶质 溶质会均匀分散在溶剂中 这一过程称为溶解 继续加入溶质 达到定量溶剂中能溶解的溶质最大值 纯溶质固体和已溶解的溶质之间形成溶解平衡 此时溶液称为饱和溶液 溶质的值称为该物质的溶解度s 溶液由稀溶液变为浓溶液 NaCl在水中的溶解过程 二 稀溶液的依数性 第二类 稀溶液的部分性质与溶质的本性无关 而是取决于溶液中溶质的粒子数量 这类性质称为溶液的依数性 包括 溶液的蒸气压 沸点 凝固点和渗透压的变化 稀溶液 溶液中溶质的分子总数不超过溶液分子总数的2 稀溶液的性质 第一类 决定于溶质的本性 如溶液的颜色 密度 导电性等 1 基本概念 水 固 水 液 水 气 在某一温度下 当这个反应达到平衡时水蒸气的压力 称为水的饱和蒸气压 如果温度变化 P也随之变化 当液体的蒸气压随温度升高而增大到等于外界的大气压强时 液体的内部将有液体急剧转变为气体 形成气泡 达到沸腾状态 这个温度T称为液体沸点Tb 同理 当冰融化和水凝固的可逆反应达到平衡 冰水共存时的这个温度称为水的凝固点Tf 将溶液和溶剂间用半透膜 只允许溶剂分子通过 分开 结果溶剂在两种液体中流动 进入蔗糖溶液 使液面升高的现象 称为渗透 达到平衡时上升的液面高度所产生的压力称为渗透压 应用见P155 2 蒸气压下降 在溶剂中加入难挥发的非电解质而形成稀溶液 由于溶剂表面部分被溶质的粒子占据 单位时间内逸出液面的粒子溶剂分子数减少 所以和纯溶剂比 稀溶液的蒸气压下降 实验表明 在同一温度下 溶液的蒸气压总是低于溶剂的蒸气压 溶液的浓度越大 蒸气压下降 P 越多 一定温度下 稀溶液的蒸气压下降等于同温度下纯溶剂的饱和蒸气压与溶质的摩尔分数的乘积 拉乌尔定律 3 沸点升高根据拉乌尔定律 当纯溶剂变成溶液时 由于蒸气压下降 溶液要达到外界大气压才能沸腾 那么就需要升高温度 提高本身的蒸气压 才能到达沸点 结论 溶液的沸点要比纯溶剂的沸点高 溶液的浓度越大 Tb越大 4 凝固点降低同理 当纯溶剂变成溶液时 由于蒸气压下降 溶液要降低温度 达到溶液凝固的温度 才能到达凝固点 结论 溶液的凝固点要比纯溶剂的凝固点低 溶液的浓度越大 Tf越大 应用 P154 纯水比糖水在同温度下挥发快 糖水蒸气压小冬天在水箱中加入甘油 防止结冰在雪上撒盐 容易清除 形成盐溶液植物细胞中溶液浓度增大 抗旱防寒盐加入冰 制冷剂渗透膜的研究 海水淡化 污水净化 例题 P153例1例2 练习题 P191 1 水的离子积常数 简称水的离子积 第二节水的电离及pH值 一 水的电离平衡 25 纯水中 只有10 7mol L水发生电离 100 纯水中 实验测得 水的电离是吸热反应 水的电离平衡同化学平衡一样 随外界条件的变化而发生移动 水中加入酸 c H 增加 水的电离平衡左移 c OH 减少 水中加入碱 c OH 增加 电离平衡左移 c H 减少 达到新的平衡时 仍然保持Kw c H c OH 无论溶液呈酸性 中性 还是碱性 都同时存在H 和OH 只是浓度不同而已 二 溶液的pH值 当溶液中氢离子或氢氧根离子浓度 1mol L时 溶液的酸碱度不用pH或pOH表示 而是直接用物质的量浓度来表示 酸碱指示剂变色范围酸色中间色碱色甲基橙3 1 4 4红橙黄酚酞8 0 10 0无色粉红红石蕊3 0 8 0红紫蓝 第三节酸碱理论和弱电解质电离平衡 一 传统酸碱理论经典的酸碱概念是阿仑尼乌斯根据他的电离学说提出的 把在水中能电离出氢离子 水合质子 的物质叫做酸 把在水中电离出氢氧根离子的物质叫做碱 酸和碱一般都具有如下的特征 酸和碱可以发生中和反应 酸和碱可以分别使指示剂变色 但是局限在水溶液中才能解释现象 具有局限性 二 酸碱电子理论 lewis酸 凡是可以接受电子对的分子 离子或原子 如Fe3 Fe Ag BF3等 lewis碱 凡是给出电子对的离子或分子 如 X NH3 CO H2O 等 lewis酸与lewis碱之间以配位键结合生成酸碱加合物 BF3 F Cu2 4 NH3 形成配合物化学的理论基础 三 酸碱质子理论1 基本概念酸 凡是能释放出质子 H 的任何含氢原子的分子或离子的物种 质子的给予体 碱 凡是能与质子 H 结合的分子或离子的物种 质子的接受体 酸 H 碱 例 HAc的共轭碱是Ac Ac 的共轭酸HAc HAc和Ac 为一对共轭酸碱 两性物质 既能给出质子 又能接受质子的物质 1 酸碱解离反应是质子转移反应 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 2 水是两性物质 它的自身解离反应也是质子转移反应 H2O l H2O l H3O aq OH aq H 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 3 盐类水解反应也是离子酸碱的质子转移反应 例如NaAc水解 Ac H2O OH HAc H 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 NH4Cl水解 H2O H3O NH3 H 酸 1 碱 2 酸 2 碱 1 4 非水溶液中的酸碱反应 例如NH4Cl的生成 H 液氨中的酸碱中和反应 H 2 酸的相对强度和碱的相对强度 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 拉平效应 溶剂将酸或碱的强度拉平的作用 称为溶剂的 拉平效应 酸和碱的强度是指酸给出质子的能力和碱接受质子的能力的强弱 水对强酸起不到区分作用 水能够同等程度地将HClO4 HCl HNO3等强酸的质子全部夺取过来 酸越强其共轭碱越弱碱越强其共轭酸越弱 上述强酸在冰醋酸中不完全解离 酸性强度依次为 四 一元弱酸 弱碱的解离平衡 1 解离平衡和Ka 初始浓度 mol L 10 1000 平衡浓度 mol L 10 10 xxx x 1 3 10 3 解离度 a c H3O c Ac 1 3 10 3mol L 1 c HAc 0 10 1 3 10 3 mol L 1 0 10mol L 1 c OH 7 7 10 12mol L 1 HA aq H aq A aq 初始浓度c00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 2 与Ka的关系 解 c00 20000ceq0 200 1 0 95 0 200 0 95 0 200 0 95 3 一元弱碱的解离平衡相关计算 例 已知25 时 0 200mol L 1氨水的解离度为0 95 求c OH pH值和氨的解离常数 五 多元弱酸溶液的解离平衡 分步解离 例题 计算0 010mol L 1H2CO3溶液中的H3O H2CO3 和OH 的浓度以及溶液的pH值 1 同离子效应HAc aq H2O l H3O aq 平衡移动方向NH4Ac aq aq Ac aq Ac aq 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而使弱电解质的解离度降低的现象 影响电离平衡的因素 2 盐效应在弱电解质溶液中 加入不含有相同离子的易溶强电解质而使弱电解质的解离度增加的现象 如 在HAc中加入NaCl 增加溶液中离子浓度 使离子吸引 牵制作用减少HAc分子的合成 例 在0 10mol L 1的HAc溶液中 加入NH4Ac s 使NH4Ac的浓度为0 10mol L 1 计算该溶液的pH值和HAc的解离度 解 HAc aq H2O l H3O aq Ac aq c0 mol L 1 0 1000 10ceq mol L 1 0 10 xx0 10 x x 1 8 10 5c H 1 8 10 5mol L 1pH 4 74 0 018 0 10 x 0 10 0 10mol L 1HAc溶液 pH 2 89 1 3 50mLHAc NaAc c HAc c NaAc 0 10mol L 1 pH 4 74 5 4 2缓冲溶液 加入1滴 0 05ml 1mol L 1HCl 加入1滴 0 05ml 1mol L 1NaOH 实验 50ml纯水pH 7pH 3pH 11 pH 4 73pH 4 75 第四节缓冲溶液 分为 弱酸及其盐弱碱及其盐多元弱酸酸式盐等 1 定义 缓冲溶液 具有能保持本身pH值相对稳定性能的溶液 也就是能够在一定程度内抵抗外加的少量强酸或强碱而保持pH值的溶液 2 缓冲作用原理 加入少量酸碱时溶液达到新的平衡 pH值没有发生明星改变 但是如果加入大量的酸碱就会破坏平衡 所以缓冲溶液的缓冲能力是有限制范围的 3 缓冲范围和配制缓冲溶液的缓冲范围pH pKa 1缓冲溶液的选择和配制原则 所选择的缓冲溶液 除了参与和H 或OH 有关的反应以外 不能与反应系统中的其它物质发生副反应 欲配制的缓冲溶液的pH值 应选择的缓冲组分 或尽可能接近所需溶液的pH值 若或与所需pH不相等 依所需pH调整 4 缓冲溶液pH值的计算 弱酸 弱酸盐 例HAc NaAc H2CO3 NaHCO3 式中c HA c A 为平衡浓度 但是 由于同离子效应的存在 通常用初始浓度c0 HA c0 A 代之 2 弱碱 弱碱盐 NH3 H2O NH4Cl 3 由多元弱酸酸式盐组成的缓冲溶液如NaHCO3 Na2CO3 NaH2PO4 Na2HPO4 a 溶液为酸性或中性 b 溶液为碱性 应按水解平衡精确计算 结论 缓冲溶液的pH值主要是由或决定的 缓冲溶液的缓冲能力是有限的 缓冲能力与缓冲溶液中各组分的浓度有关 c HA c B 及c A 或c BH 较大时 缓冲能力强 第五节盐溶液的水解平衡1强酸弱碱盐 离子酸 1 2 3 则 2 弱酸强碱盐 离子碱 NaAc NaCN 一元弱酸强碱盐的水溶液成碱性 因为弱酸阴离子在水中发生水解反应 如在NaAc水溶液中 多元弱酸强碱盐也呈碱性 它们在水中解离产生的阴离子都是多元离子碱 它们的水解都是分步进行的 如Na3PO4的水解 例题 计算0 10mol L 1Na3PO4溶液的pH值 ceq mol L 1 0 10 xxx 解 3 酸式盐 解离大于水解 NaH2PO4溶液显弱酸性 相反 Na2HPO4溶液解离小于水解 显弱碱性 4 弱酸弱碱盐 5 影响盐类水解的因素 盐的浓度 c盐 水解度增大 有些盐类 如Al2S3 NH4 2S可以完全水解 温度 水解反应为吸热反应 0 T 水解度增大 总之 加热和稀释都有利于盐类的水解 溶液的酸碱度 加酸可以引起盐类水解平衡的移动 例如加酸能抑制下述水解产物的生成 一 溶解度 在一定温度下 达到溶解平衡时 一定量的溶剂中含有溶质的质量 叫做溶解度通常以符号S表示 对水溶液来说 通常以饱和溶液中每100g水所含溶质质量来表示 g 100g 第六节沉淀溶解平衡 二 溶度积 在一定温度下 将难溶电解质晶体放入水中时 就发生溶解和沉淀两个过程 溶度积常数 简称溶度积 溶解 在一定条件下 当溶解和沉淀速率相等时 便建立了一种动态的多相离子平衡 可表示如下 对于一般沉淀反应 三 溶度积和溶解度的相互换算 在有关溶度积的计算中 离子浓度必须是物质的量浓度 其单位为mol L 1 而溶解度的单位往往是g 100g水 因此 计算时有时要先将难溶电解质的溶解度S的单位换算为mol L 1 例125oC AgCl的溶解度为1 92 10 3g L 1 求同温度下AgCl的溶度积 例225oC 1 Q 平衡向左移动 沉淀析出 2 Q 处于平衡状态 饱和溶液 3 Q 平衡向右移动 无沉淀析出 若原来有沉淀存在 则沉淀溶解 四 沉淀的生成与溶解 沉淀 溶解平衡的反应商判据 即溶度积规则 1 加酸 2 同离子效应 加BaCl2或Na2CO3或促使BaCO3的生成 利于BaCO3的溶解 影响沉淀和溶解过程的方法