《普通化学》--7酸碱反应.ppt

普通化学 网络课件 授课教师 张大伟单位 化学教研室 第七章酸碱反应 Chapter Acid BaseReaction 一 酸碱的定义二 酸碱反应 第一节酸碱质子理论 电离理论质子理论电子理论 一 酸碱的定义 SvanteAugustArrhenius瑞典化学家 阿仑尼斯 电离理论 局限 无法解释NaCO3 Na3PO4呈碱性 NH4Cl现酸性的事实 无法解释非水溶液中的酸碱行为气态反应中 NH3 HCl NH4Cl Lewis的酸碱电子理论的优缺点 优点 一切化学反应都可概括为酸碱反应缺点 太笼统 不易掌握酸碱的特性无法判断酸碱性的强弱 路易斯酸碱 电子理论 理论要点 凡可以接受电子对的分子 原子团 离子为酸 凡可以给出电子对的物质为碱 优点 扩大了酸碱的范围 加深了对酸碱反应本质的认识 摆脱了盐的束缚 缺点 离不开氢质子 无法解释 如AlCl3等的酸碱性行为 酸 反应中能给出质子的分子或离子 即质子给予体碱 反应中能接受质子的分子或离子 即质子接受体 BrfnstedJN丹麦物理化学家 布郎斯特和劳瑞 质子理论 质子理论中无盐的概念 电离理论中的盐 在质子理论中都是离子酸或离子碱 如NH4Cl中的NH 是质子酸 Cl 是质子碱 酸碱半反应 酸给出质子和碱接受质子的反应 共轭酸碱对 conjugateacid basepair 特点 A H HA 如 1 具有共轭性 二 酸碱反应 HCl NH3NH4 Cl 酸1 强 碱2 强 酸2 弱 碱1 弱 酸碱反应指质子由给予体向接受体的转移过程 酸碱半反应不可能单独发生酸碱反应是两对共轭酸碱对共同作用的结果酸碱反应的实质是质子的转移 一 水的质子自递反应二 弱一元酸碱的离解三 弱多元酸碱的离解 第二节水溶液中的重要酸碱反应 一 水的质子自递反应 发生在同种溶剂分子之间的质子传递反应称为质子自递反应 水的质子自递反应 也称水的解离反应 可表示为 在一定温度下 水的解离反应达到平衡时 水的解离反应是吸热反应 温度升高 随之增大 不同温度下水的离子积常数 当温度在室温附近变化时 变化不大 一般可认为 水溶液的 对于H3O 浓度较低的溶液 常用pH来表示溶液的酸碱性 pH的定义为 与pH相对应的还有pOH和pKw 它们的定义分别为 pH pOH和pKw之间的关系为 pH pOH pKwpH和pOH都可以表示溶液的酸碱性 但习惯上采用pH pH pOH 7 溶液呈中性 pHpOH pH 7 溶液呈碱性 二 一元弱酸 弱碱的离解 在一元弱酸HA溶液中 存在HA和H2O之间的质子转移反应 达到平衡时 一元弱酸的标准平衡常数越大 它的酸性就越强 2 1一元弱酸的离解 一定温度下 它与浓度无关 Ka 的大小表明一元弱酸在水中的离解趋势及酸性的大小 一元弱酸溶液H3O 浓度的计算 一元弱酸的酸度 浓度c HB 的一元弱酸的酸度 可根据Ka 求算 HB H B ceq mol L 1 xx c x 可解得c H pH Kaq 在一元弱碱A溶液中 存在A和H2O之间的质子转移反应 达到平衡时 一元弱碱的标准平衡常数越大 它的碱性就越强 2 2一元弱碱的离解 弱一元碱在水中的离解 弱一元碱在水中的离解 是其与H2O之间质子转移的反应 水给出质子 碱接受质子 Ac H2O HAc OH NH3 H2O NH4 OH B H2O HB OH ceq mol L 1 xx c x Kbq 共轭酸碱的离解常数 共轭酸碱的离解常数之间的关系 HB H2O H3O B B H2O HB OH 将以上两式相加得 H2O H2O H3O OH 2 3共轭酸碱与的关系 例7 2 pH 2 89 c H 1 33 10 3 例7 2 计算0 1mol L 1HAc溶液中的c H pH值和HAc的离解度 已知Ka HAc 1 76 10 5 解 由于 故可用最简式计算 例7 3 例7 3 计算c Ac 0 101mol L 1的醋酸钠水溶液中氢氧根离子浓度c OH 及溶液pH值 解 故可使用最简式计算 c OH 7 5 10 6 pH 8 88 三 弱多元酸碱的离解 三 弱多元酸碱的离解 这两级平衡同时存在于一个溶液中 所以同时存在两个平衡关系式 弱多元酸 碱在水溶液中的离解是分步进行的 如 H2CO3 H2O HCO3 H3O HCO3 H2O CO32 H3O 弱多元酸碱的离解 续1 又如 CO32 H2O HCO3 OH HCO3 H2O H2CO3 OH 这两级平衡同时存在于一个溶液中 所以同时存在两个平衡关系式 弱多元酸碱的离解 续2 弱多元酸碱相邻的两步离解常数相差较大 弱无机多元酸碱相邻两步离解常数的比值一般约为104 弱有机酸碱相邻两步离解常数之比值一般大于101 6 弱多元酸 碱 第一步离解的趋势远大于其后各步 第一步离解产生的H 对其后各步离解有抑制作用 故计算弱多元酸碱溶液的酸度时 可忽略二 三步的离解 按弱一元酸 碱处理 例7 4 例7 4 计算c H2S 0 10mol L 1的氢硫酸水溶液中 c H c HS 和c S2 解 计算c H 时 将氢硫酸作为弱一元酸处理 故可应用最简式计算 例7 4 续 c H 1 14 10 4mol L 1 由于可忽略第二步离解 故c HS c H 1 14 10 4mol L 1 S2 离子由第二步离解产生 HS H2O S2 H3O 因为c HS c H c S2 7 1 10 15mol L 1 一般规律 在弱二元酸水溶液中 酸根离子的相对浓度约等于该弱酸的第二步离解常数 关于高价金属水合离子的离解 很多高价金属水合离子是多元离子酸 因为它们在水中分步离解 如水合Al3 在水中的离解 Al H2O 6 3 H2O Al H2O 5 OH 2 H3O Al H2O 5 OH 2 H2O Al H2O 5 OH 2 H3O Al H2O 5 OH 2 H2O Al H2O 5 OH 3 H3O 这类反应常称为金属离子的水解 其结果是有氢氧化物或碱式盐等沉淀生成 因此 在配制含有Fe2 Fe3 Sn2 Bi3 Cu2 等离子的化合物的水溶液时 要溶于酸中 7 3酸碱平衡的移动 一 稀释作用 HB H B 若加水稀释 使系统的体积变为原来的n倍 则此时的反应商Q为 一 稀释作用 一元弱酸HB的浓度为c 在水中达离解平衡时 平衡正向移动 弱酸碱浓度降低 离解度增大 Q 二 同离子效应 二 同离子效应 若向HAc水溶液中加入其共轭碱Ac 平衡HAc H Ac 将逆向移动 使HAc的离解度降低 HAc水溶液的pH值升高 若向NH3的水溶液中加入其共轭酸NH4 平衡NH3 H2O OH NH4 将逆向移动 使NH3的离解度降低 NH3水溶液的pH值降低 同离子效应 续 在水溶液中 HAc对Ac 的离解 NH3对NH4 的离解 也同样会产生抑制作用 Ac H2O OH HAcNH4 H2O H3O NH3 前面各例说明 向弱酸 或弱碱 水溶液中加入其共轭碱 或共轭酸 将会使弱酸 弱碱 的离解反应受到抑制 使溶液的酸度发生改变 这种共轭酸碱对之间对离解反应的相互抑制作用常称为同离子效应 例7 5 例7 5 在1L0 1molL 1HAc溶液中 加入0 1mol固体NaAc晶体 体积变化忽略不计 计算H 浓度 pH和离解度 Ka 1 76 10 5 解 HAc H Ac ceq mol L 10 10 xx0 10 x 例7 5 续 由于共轭酸碱对之间的同离子效应 两者的离解度都很低 一般可用初始浓度代替平衡浓度 即 pH 4 74 比较例5 2 同离子效应使醋酸离解度明显下降 共轭酸碱混合液酸度计算 计算共轭酸碱混合溶液酸度 可用以下两公式 式中 c A c B 分别表示共轭酸碱的浓度 一般情况下可用它们的初始浓度代替平衡浓度进行近似计算 例7 6 例7 6 向100mLc NH3 0 10mol L 1的氨水溶液中加入c HCl 0 050mol L 1的盐酸水溶液 计算所得溶液的pH值 解 反应NH3 H NH4 平衡后 pH 9 26 例7 7 例7 7 计算c NaHCO3 0 10mol L 1的碳酸氢钠水溶液与c Na2CO3 0 10mol L 1的碳酸钠水溶液等体积混合后溶液的pH值 解 本题中HCO3 与CO32 互为共轭酸碱 7 4酸碱缓冲溶液 关于缓冲作用 缓冲作用是关系到生命的大事水生动 植物以水为生存环境 作物 牧草 花卉 树木及野生植物从土中获取营养 人有体液 分泌液 其它动 植物 微生物体内也有各种溶液 正常的生理 生化过程在其中进行 无论体内 体外溶液的共同指标是pH值 缓冲作用示例 KCl0 1mol L 1 HAc NaAc0 1mol L 1 水 若加入10mL0 01mol L 1HCl后 若加入10mL0 01mol L 1NaOH后 pH 7 0 pH 7 0 pH 4 75 pH 3 0 pH 3 0 pH 4 74 pH 11 0 pH 11 0 pH 4 76 各90mL 一 酸碱缓冲溶液的组成和性质 一 酸碱缓冲溶液的组成和性质 可见 纯水和KCl溶液中加入少量酸或碱后 pH发生较大变化 而HAc和它的共轭碱NaAc的混合溶液加入少量酸碱后 pH变化很小 说明它具有抵御酸碱影响的能力 这种能够抵御外加少量强酸 强碱或稀释 而保持pH值基本不变的作用叫缓冲作用 具有缓冲作用的溶液叫缓冲溶液 酸碱缓冲溶液的组成和性质 续 实验说明 弱酸及其共轭碱 HAc Ac HCO3 CO32 弱碱及其共轭酸 如NH3 NH4 组成的溶液都是缓冲溶液 构成缓冲溶液的共轭酸碱对称为缓冲对 缓冲对中的共轭酸可抵御外加的强碱 称其为抗碱成分 而共轭碱可抵御外加的强酸 称其为抗酸成分 有了这两种成分和相应的功能 才有缓冲作用 酸碱缓冲溶液的组成和性质 续2 如 在NaAc和HAc的混合溶液中NaAc Na Ac 完全离解 Ac 浓度大HAc H Ac 同离子效应 HAc浓度也大 Ac 中和外来H 变为自身的共轭酸HAc HAc释放出的H 中和外来的OH 变为自身的共轭碱 体现出的是HAc离解平衡的移动 HAc H Ac 缓冲溶液pH值的计算 HB H B 平衡浓度c HB xxc B x 同离子效应 c HB x c HB c B x c B 缓冲溶液pH值的计算弱酸 共轭碱 盐 类型的缓冲溶液 缓冲溶液pH值的计算 以NH3和NH4 的混合溶液为例 依据同样的推导过程 考虑同离子效应 NH3 H2O NH4 OH 平衡时 c NH3 x c NH3 c NH4 x c NH4 x 缓冲溶液pH值的计算 例7 8 pH 3 80 2 89 0 91 例7 8 例题5 2已经计算出0 10mol L 1醋酸水溶液的pH 2 89 向100mL该溶液中加入1 0mL1 0mol L 1的氢氧化钠水溶液后 溶液的pH改变多少 解 例7 9 例7 9 计算0 1mol L 1NH4Cl和0 1mol L 1NH3 H2O各1L混合后溶液的pH值 解 混合液的pH值 两溶液等体积混合后 c NH3 c NH4 0 05mol L 1 如果在此溶液中分别加入 1 0 02mol的HCl 2 0 02mol的NaOH 3 等体积的水 溶液的pH值将分别是多少 pKb 4 75 例7 9 续1 HCl完全与NH3作用生成NH4Cl 1 加入0 02molHCl后 例7 9 续2 3 加入等体积水后 c NH3 c NH4 0 025mol L 1 可见 缓冲溶液具有抵御溶剂稀释的能力 2 加入0 02mol的NaOH后 加入的OH 几乎完全与NH4 作用生成NH3 ca 缓冲容量 1 缓冲对的浓度浓度大 缓冲能力强 一般为 0 1 1mol L 1 缓冲能力的大小取决于 使一定量缓冲溶液的pH值改变一个单位所需加入酸或碱的量叫缓冲容量 缓冲容量愈大 缓冲能力愈强 缓冲容量缓冲溶液的缓冲能力是有限的 缓冲能力的大小用缓冲容量来衡量 缓冲容量 续1 2 缓冲比即c HB c B 或c B c B 当缓冲比等于1时 加少量酸或加碱后其比值改变最小 缓冲能力最强 缓冲容量最大 缓冲溶液的pH值与pKa 值 或pOH与pKb 值 相差超过1个pH 或1个pOH 单位时 它就几乎失去了缓冲能力 所以 为了保证缓冲作用 浓度比大多选在10 1到1 10之间 二 缓冲溶液的配制 配制一定pH值的缓冲溶液 要按下列步骤进行 1 选择合适的缓冲对 原则是缓冲对中的pKa 与缓冲溶液的pH值 或缓冲对中的pKb 与缓冲溶液的pOH值 愈接近愈好 这样会使得缓冲比愈接近于1 pOH pKb 1或pH pKa 1 2 由公式计算出缓冲比 按缓冲比配制溶液 3 共轭酸碱的浓度控制在0 1 1mol L 1范围 4 用酸度计测量pH后 存在的差异加入少量缓冲对中的酸碱进行调节 二 缓冲溶液的配制 例7 10 例7 10 欲配制pH 3 50缓冲溶液 应选用NH3 NH4Cl NaH2PO4 NaHPO4 HCOOH HCOONa HAc NaAc 中哪一缓冲对 解 所选缓冲对中酸的pKa 应在2 50 4 50范围 或碱的pKb 应在9 50 11 50范围内 查表可知 pKa NH4 9 25因为pKb NH3 4 75 pKa H2PO4 7 21 pKa HCOOH 3 75 pKa HAc 4 75 所以 应选HCOOH HCOONa缓冲对 例7 11 需1mol L 1的HAc溶液 V HAc 0 20 500 1 100 mL 需NaAc 3H2O的质量为 m NaAc 3H2O 0 36mol L 1 0 500L 136g mol 1 25g 解 pH pKa lg c HAc c Ac 5 00 4 75 lg 0 2 c Ac c Ac 0 36 mol L 1 例7 11 配制pH 5 00的缓冲溶液500mL 且缓冲溶液中HAc浓度要求为0 20mol L 1 问应取浓度为c HAc 1mol L 1的醋酸溶液和固体NaAc 3H2O各多少 例7 11 续 如果改用0 2mol L 1HAc和0 2mol L 1NaAc来配制pH等于5 00的缓冲溶液500mL 如何配制 取HAc和NaAc的体积分别为V HAc 和V Ac 则 可以解出V HAc 180mL V Ac 320mL 三 其它类型缓冲溶液 三 其它类型缓冲溶液 1 较浓的强酸 强碱水溶液 具有一定的缓冲能力 缓冲范围是pH小于3或大于12 没有大的使用价值 2 两性物质水溶液 这些物质常被称为酸式盐 也具有一定的缓冲能力 如邻苯二甲酸氢钾 酒石酸氢钾等水溶液 以酒石酸氢钾为例 它的pKa1 3 04 pKa2 4 37 非常接近 酸式离解和碱式离解使溶液中同时存在两个缓冲对 强电解质的表观离解度 几种