酸碱平衡和酸碱滴定法.doc

Chap3 酸碱平衡和酸碱滴定法34酸碱缓冲溶液教案首页Chap3 授课内容授课对象学时安排酸碱平衡和酸碱滴定法34酸碱缓冲溶液化学本科(0501)2学时教学目的1、理解缓冲溶液的概念和作用原理；2、掌握缓冲溶液pH值的计算；3、理解缓冲指数、缓冲容量和缓冲范围；4、掌握缓冲溶液选择的原则；5、了解标准缓冲溶液。教学内容1、缓冲溶液的定义、组成及分类2、缓冲溶液的作用原理3、缓冲溶液pH值的计算4、缓冲指数、缓冲容量、缓冲范围5、缓冲溶液的选择6、标准缓冲溶液教学重点1、缓冲溶液的作用原理2、缓冲溶液的pH值的计算3、缓冲溶液的选择教学难点缓冲指数、缓冲容量教学方法采用课堂讲授、举例与讨论相结合的教学方法作 业习题： 5、6、7、8、9、10、11、12 教 材分析化学武汉大学（第四版）参考书北京师范大学等四大师大主编，分析化学，高等教育出版社内容：导入：坐汽车，在汽车突然加速、减速时，会产生惯性，为防止惯性，要系安全带，安全带起的是缓冲作用，由此，我们想缓冲溶液的意义，应是具有缓冲作用的溶液，那么，安全带是用来缓冲惯性，缓冲溶液则是用来缓冲pH值的。我们知道，一般的溶液，酸性的，碱性的，或两性的，向其中加入少量的酸或碱后，PH 值就会减小或增大，而往缓冲液中加入少量酸或碱，溶液的PH 值不会发生显著变化。一、 概念1、缓冲溶液(buffer solution)：能减缓因外加强酸或强碱以及稀释而引起的pH急剧变化的溶液。解释：p H 值不因加入少量酸或少量碱以及稍加稀释而发生显著变化。通常有以下三种情况：(1) 向溶液中加入少量的强酸或强碱；(2) 溶液中的化学反应产生少量的酸或碱；(3) 溶液稍加稀释。2、缓冲溶液的组成：(1) 共轭酸碱对(如:浓度较大的弱酸及其共轭碱，HAc-Ac；浓度较大的弱碱及其共轭酸，NH3NH4)；(2) 强酸（pH12）；(3) 两性物质。3、分类（按用途）：(1) 一般酸碱缓冲溶液（用于控制溶液的pH值）；(2) 标准缓冲溶液（校正pH计用）。二、 缓冲溶液的作用原理1、以HAc-NaAc为例，说明其作用原理HAc-NaAc缓冲溶液中，存在下列平衡：(1) NaAcNa+Ac- ，(2) HAcH+Ac-加入少量酸，则引入的H+Ac-HAc；加入少量碱，则引入的OH-+H+H20，可见pH值基本不变。2、以NH3-NH4Cl为例，说明其作用原理NH3-NH4Cl缓冲溶液中，存在下列平衡：(1) NH3+ H20NH4+OH- ，(2) NH4ClNH4+ Cl-加入少量酸，则H+OH-H20；加入少量碱，则OH-+NH4+ NH3H20，可见pH值基本不变。三、 缓冲溶液pH值的计算以HA-A-为例，计算cHAmolL-1HA+cA-molL-1A-缓冲体系的pH值：物料平衡：Na+=cA- HA+A-=cHA+cA-电荷平衡：Na+H+=A-+OH-代入得，cA-+H+=A-+OH-，即：A-=cA-+H+-OH-将代入得，HA=cHA+cA-A-=cHA-H+OH-得，得，作为控制酸度的缓冲溶液，因为缓冲剂本身的浓度大，对计算结果也不要求准确，可用近似的方法计算：eg1.求0.10molL-1HAc和0.20molL-1Ac-缓冲溶液的pH值。提示 直接用公式： eg2.求0.10molL-1 NH4+和0.20molL-1 NH3H20缓冲溶液的pH值。提示 直接用公式：eg3. 0.30molL-1 吡啶（C5H5N）和0.10molL-1 HCl等体积混合，是否为缓冲溶液，求其pH值。提示 判断是否组成缓冲溶液，实际是判断是否生成共轭酸碱对，吡啶为有机弱碱，0.30molL-1 吡啶（C5H5N）和0.10molL-1 HCl等体积混合，生成吡啶盐酸盐和过量的吡啶，二者是共轭酸碱对，因此能组成缓冲溶液。直接用公式：注意：等体积反应浓度减半。eg4. 欲使100mL0.10molL-1HCl溶液的pH值从1.00增大至4.44，需加入固NaAc多少克。提示 设需加入固NaAc m克。 eg5. 今有某弱酸HB及其盐配制缓冲溶液，其中HB的浓度为0.25molL-1。于此100mL缓冲溶液中加入200mgNaOH（忽略溶液体积变化），所得溶液的pH值为5.60。问原来所配制的缓冲溶液的pH值为多少？（设HB的Ka=5.010-6）提示 关键：求原溶液中的cB-。由 求得原溶液中的cB-。四、 缓冲指数、缓冲容量及缓冲范围导入：以上节课的导出作为导入。前面讲过，当向缓冲溶液中加入少量强酸或强碱或将溶液稍加稀释时，溶液的pH值基本保持不变。但是，如果继续加入强酸或强碱，比如无限度地加入大量的强酸或强碱，缓冲溶液对酸或碱的抵抗能力就要减弱，甚至失去缓冲作用。就是说，缓冲溶液的缓冲作用都是有一定的限度的，每一种缓冲溶液只能加入有限量的酸或碱，才能保持溶液的pH值不变。所以每一种缓冲溶液只具有一定的缓冲能力，缓冲指数和缓冲容量是衡量缓冲溶液缓冲能力大小的尺度。1、缓冲指数(buffer index)定义： dc加入强酸或强碱的无穷小量；dpHpH的无穷小量。其物理意义：相关酸碱组分分布线的斜率，具有加和性。加和性：结论：b与缓冲溶液的总浓度cHA和组分比（共轭酸碱对的分布分数）有关：缓冲溶液分析浓度越大, b越大；总浓度一定时，组分比越接近1：1，缓冲指数越大；并且，当组分比等于1（即cHA=cA-）时，b有极值，缓冲溶液的缓冲能力最大，此时，pH=pKa。2、缓冲容量(buffer capacity)定义： =c=pH=（2 A- 1A-）cHA 缓冲容量；c外加强酸或强碱的量；pH区间缓冲溶液所具有的平均缓冲指数；pH因c而发生的pH值的变化；2 A- 终态pH值（即pH2）时A-的分布分数；1 A- 初态pH值（即pH1）时A-的分布分数；cHAHA的总浓度（分析浓度）。其物理意义：某缓冲溶液因外加强酸或强碱的量为c而发生pH的变化的幅度为pH。结论：影响的因素为缓冲溶液的总浓度cHA和组分比（共轭酸碱对的分布分数）：缓冲溶液分析浓度越大, 越大；总浓度一定时，组分比越接近1：1，缓冲容量越大；并且，当组分比等于1（即cHA=cA-）时，有极值，缓冲溶液的缓冲能力最大；此时，pH=pKa。与缓冲指数相一致。3、缓冲范围pKa1缓冲范围是指缓冲溶液起有效缓冲作用的有效pH值范围。eg. HAc-Ac-缓冲溶液其pKa=4.74，那么，我们配制缓冲溶液时，要使其pH值在3.745.74范围内。例如，前面计算缓冲溶液的pH值时，eg1. eg2. eg3.的pH值均在其有效缓冲范围之内：缓冲体系 pKa 有效缓冲范围 缓冲溶液的pH值eg1. HAc-Ac- 4.74 3.745.74 5.04eg2. NH3H2O-NH4+ 9.26 8.2610.26 9.56eg3. C5H5N-C5H5NH+ 5.23 4.236.23 5.53又如 HF-F- 3.18 2.184.18H2PO4-HPO42- 7.20(pKa2) 6.208.20以0.10molL-1HAc-Ac缓冲溶液为例，可绘制出其-pH曲线，如图所示： 图中，实线为0.10molL-1HAc-Ac-溶液在不同pH值时的缓冲指数，虚线表示强酸和强碱溶液的缓冲指数，阴影部分表示在pH46时，HAc-Ac-缓冲体系所具有的缓冲容量。从-pH曲线上，可得到以下下结论： (1) 曲线两侧很高，说明一定浓度的强酸在pH12时具有较大的缓冲容量。若反应要求溶液的酸度控制在pH02，或pH1214的范围内，则可用强酸或强碱控制其酸度；(2) 在pH=pKa1的范围内，缓冲溶液具有较大的缓冲容量，此范围即为有效缓冲范围，在此范围内，pH离pKa点愈远，愈小，并且，当pH=pKa时，具有最大值，缓冲溶液的缓冲能力达到最大；超出此范围，缓冲能力将显著下降。从缓冲组分的分布分数曲线来讨论缓冲容量的概念更为方便和直观。见教材P61图2-6。五、如何选择缓冲溶液1、 关键：使欲控制的pH值落在缓冲溶液的缓冲范围之内（尽量与缓冲溶液的pKa接近）；选时，先查出缓冲溶液中弱酸的pka，算出pka，得到缓冲范围，再看欲控制的溶液的p值能落在哪个弱酸的pka1内，就以这一个弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液来控制p。2、加入的缓冲溶液应不干扰测定，尤其对待测组分无干扰；3、缓冲溶液应有足够的缓冲容量；4、缓冲物质应廉价易得，避免污染。教材P322附录表5列出了常用的缓冲溶液。六、标准缓冲溶液还有一种缓冲溶液叫标准缓冲溶液,标准缓冲溶液是用来校正pH计的，其pH值，一般由精确的实验测得。如果要以理论计算加以核对,须考虑活度，所以涉及到活度系数，进一步涉及到离子强度。最常用的几种标准缓冲溶液列举如下：pH 标准溶液 pH值(25 )1. 饱和酒石酸氢钾 0.034 molL-1 3.562. 0.05molL-1 邻苯二甲酸氢钾 4.013. 0.25L-1 KH2PO4 0.025molL-1 Na2HPO4 6.864. 0.01molL-1 硼砂 9.18导出：我们将要做自来水总硬度测定的实验，实验中我们要控制溶液pH值为10，请问：应选择何种缓冲溶液？查P319表，pka在10左右的挺多的，但NH4+最易得到，其pka9.26，选NH4+及其共轭碱的溶液,即NH3-NH4Cl溶液为缓冲溶液。如果缓冲指数和缓冲容量学生不好接受，可以将二者合并讲：