电解质溶液中微粒浓度的计算.doc

电解质溶液中微粒浓度的计算【根据师专函授教材分析化学上册P281 整理】以下讨论不考虑空气的影响。1、强酸强碱溶液：溶质完全电离。当它们浓度不是很稀时，水电离生成的氢离子或者氢氧根离子浓度可以被忽略不计。强酸溶液：c(H) = nc(强酸) c(OH) = Kw/c(H)强碱溶液：c(OH) = nc(强碱) c(H) = Kw/c(OH)当它们的浓度10-6molL1时，水的电离不能忽略。强酸溶液：设酸电离生成的氢离子浓度为c，水电离生成的氢离子浓度（及氢氧根离子浓度）为x，则(c+x)x=10-14 即 x2+cx10-14=0,解此一元二次方程可得氢氧根离子浓度，再用c(H) = Kw/c(OH) 可以求出氢离子浓度。强碱溶液类似，略。例：浓度为510-7 molL1的盐酸溶液，pH=?代入上式：x2+510-7x10-14=0 解之得 x= 1.910-8c(H) = 510-7 + 1.910-8=5.210-7 pH=70.7=6.32、一元弱酸弱碱溶液：（下面以一元弱酸为例，弱碱类同。）当弱酸的浓度c和电离常数Ka都不是很小时（绝大多数情况符合此条件），溶液中的氢离子就主要来自于弱酸的电离，水电离的氢离子可以被忽略。 HA H A 起始浓度 c 0 0 改变浓度 x x x 平衡浓度 cx x x Ka = x2/(cx) x2+KaxKac = 0 解此一元二次方程就可以求出各种微粒的浓度。氢氧根离子浓度用c(OH) = Kw/c(H)求出。如果弱酸的电离度5%【表现为c/Ka500】，也就是说x 远小c时，可以认为cx = c 上式就可以化简为x2Kac = 0 即x= （此时酸分子浓度=起始浓度）例1：计算0.100mol/LCH3COOH溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。 c = 0.100 （不是很小）Ka = 1.8010-5（不是很小）c/Ka = 5.6103500 可以用近似公式计算：c(H)= 1.34103 molL1c (CH3COO-)1.34103 molL1 c(CH3COOH) = 0.1001.34103=9.86610-2molL1c (OH-) = 1.010-14/1.34103 = 7.510-12 molL1c(CH3COOH)c(H)C(CH3COO)c(OH)例2：计算0.100mol/LCH2ClCOOH（Ka=1.40103）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。 c / Ka = 71500 电离度5% ，不能用近似公式计算。把c=0.100 ，Ka=1.4010-3代入x2+KaxKac = 0 得：x2+1.4010-3 x1.4010-4 = 0解之得 x= 1.1210-2molL1 即：c(H+)= 1.1210-2molL1 c(CH2ClCOO-)c(CH2ClCOOH)=0.1000.0112 = 0.0888molL1=8.8810-2molL1c (OH-) = 1.010-14/1.12102 = 8.910-13 molL1c(CH2ClCOOH)c(H)C(CH2ClCOO)c(OH)例3：计算0.100molL1 NH4Cl溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。把NH4+看作NH3H2O的共轭酸，Ka=KW/Kb=1.010-14/1.8105=5.61010c/Ka = 1.8108500 可以用近似公式计算：c(H)= 7.510-6molL1 c(NH3H2O)c(NH4+)0.100molL1 c(OH) = Kw/c(H)=1.010-14/7.510-6=1.3310-9molL1c(Cl-)c(NH4+)c(H+)c(NH3H2O)c(OH-)例4：计算1.0010-4molL1C2H5NH2（Kb=5.610-4）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。【乙胺是路易斯碱】乙胺溶液中： C2H5NH2H2O C2H5NH3OHc / Ka = 0.18500 电离度5% ，不能用近似公式计算。把c=1.0010-4，Kb=5.610-4代入x2+KbxKbc = 0 得：x2+5.610-4 x5.610-8 = 0解之得 x= 8.710-5molL1 即：c(OH)= 8.710-5molL1 c(C2H5NH3)c(C2H5NH2)=1.0010-48.710-5=1.310-5molL1 c(H+)=KW/c(OH-)=1.010-14/8.710-5=1.1510-10molL1 c(OH)c(C2H5NH3)c(C2H5NH2)c(H+) 【此条件下，乙胺的电离度很大，所以电离了的电离剩余的！】例5、计算0.100molL1CH3COONa（Kb=5.610-10）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。c/Kb = 1.8108500 可以用近似公式计算：c(OH)= 7.510-6molL1 c(CH3COOH)c(CH3COO)0.100molL1 c(H+) = Kw/c(OH)=1.010-14/7.510-6=1.3310-9molL1c(Na+)c(CH3COO-)c(OH-)c(CH3COOH)c(H+)3、多元弱酸溶液例1：室温下，碳酸饱和溶液的浓度约0.04molL1,计算其中各种微粒（水分子除外）的浓度。已知碳酸的电离常数：K1=4.210-7 K2=5.610-11在碳酸溶液中： H2CO3 HCO3H HCO3CO32H由于K1远大于K2，且因为一级电离产生的氢离子的同离子效应，使得二级电离产生的氢离子很少，可以忽略不计。所以计算氢离子浓度可以把它当作一元弱酸考虑。c/K1 = 9.5104500 可以用近似公式计算：c(H+)= 1.3104molL1c(HCO3-)1.3104molL1 因为K2=c(H+)c(CO32-)/c(HCO3-) c(H+)c(HCO3-)所以 c(CO32-)K25.610-11molL1 c(H2CO3)=0.041.3104=3.99710-2molL1c(OH) = Kw/c(H)=1.010-14/1.310-4 = 7.710-11molL1c(H2CO3) c(H+) c(HCO3-) c(OH-) c(CO32-) 例2：计算0.100molL1H2C2O4（K1=5.910-2 K2=6.4105）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。c / K1 = 1.7500 电离度5% ，不能用近似公式计算。把c=0.100 ，K1=5.910-2代入x2+KaxKac = 0 得：x2+5.910-2 x5.910-3 = 0解之得 x= 5.2810-2molL1 即：c(H+)= 5.2810-2molL1 c(HC2O4-)c(C2O42-)K26.410-5molL1 c(H2C2O4)=0.1005.2810-2=4.7210-2molL1c(OH) = Kw/c(H)=1.010-14/5.2810-2= 1.8910-13molL1c(H+) c(HC2O4-) c(H2C2O4) c(C2O42-) c(OH-)4、多元弱酸的正盐溶液 【从酸碱质子理论看，就是多元弱碱的溶液。与3相同。】例1：计算0.100molL1Na2CO3溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。对于碳酸根离子有：Kb1=1.810-4 Kb2=2.3108c/Kb1 = 5.6102500可以用近似公式计算c(OH)= 4.2103molL1c(HCO3-)4.2103molL1 因为Kb2=c(OH)c(H2CO3)/c(HCO3-) c(OH)c(HCO3-)所以 c(H2CO3)Kb22.310-8molL1 c(CO32-)=0.1004.2103=9.5810-2molL1c(H+) = Kw/c(OH)=1.010-14/4.210-3 = 2.3810-12molL1c(Na+)c(CO32) c(OH) c(HCO3-) c(H2CO3) c(H+) 例2：计算0.100molL1Na2C2O4（Kb1=1.610-10 Kb2=1.71013）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。c/Kb1 = 6.25108500 可以用近似公式计算：c(OH)= 4106molL1c(HC2O4-)4106molL1 c(H2C2O4)Kb21.710-13molL1 c(C2O42-)0.100molL1c(H+) = Kw/c(OH)=1.010-14/410-6 = 2.510-9molL1c(C2O42-) c(OH-) c(HC2O4-) c(H+) c(H2C2O4)5、多元弱酸的酸式盐溶液【下面以碳酸氢钠溶液为例做理论探讨】在NaHCO3的溶液中，存在如下3个平衡：HCO3的电离平衡：HCO3HCO32【1】c(H+)c(CO32-)c(HCO3-)Ka2c(HCO3-)c(H+)可以变形为c(CO32-)=Ka2= HCO3的水解平衡：HCO3H2OH2CO3OHc(OH)c(H2CO3)c(HCO3-)Kb2= 把分子分母都乘以溶液中的氢离子浓度c(OH)c(H2CO3)c(HCO3-)Kb2=看式中，红色部分是碳酸的一级电离常数的倒数。黑色部分是KW 。c(H+)c(H+)得：KWKa1=Kb2c(HCO3-)c(OH)可以变形为c(H2CO3) =KWc(HCO3-)c(OH)Ka1=c(H+)c(HCO3-)Ka1【2】H2OHOH Kw=c(H)c(OH) c(OH)=Kw/c(H) 【3】在碳酸氢钠溶液中有“质子守恒”关系式：KWc(H)+Ka2c(HCO3-)c(H+)=c(H)c(HCO3)Ka1c(H+) + c(H+) + c(H)c(H2CO3)=c(OH)c(CO32) 即： c(H) + 【2】= 【3】+【1】 c(HCO3)KWc(H)+Ka2c(HCO3-)c(H+) 两边都乘以c(H+)c(H+) 1 + Ka1=c(H+)21+c(HCO3-)/Ka1=KW+Ka2c(HCO3-)Ka1KW+Ka2c(HCO3-)KW+Ka2c(HCO3-)Ka1+c(HCO3-)=1+c(HCO3-)/Ka1c(H+) =因为Ka2和Kb2都很小【意思是说碳酸氢根离子的电离和水解都很微弱】，所以，碳酸氢根离子的浓度基本上没有减小，也就是说：c(HCO3-)c(NaHCO3)=c 上式就成为：c(H+) =Ka1(KW+Ka2c)/(Ka1+c)如果Ka2c远大于KW，则：c(H+) =(Ka1Ka2c)/(Ka1+c) 【精确】如果c远大于Ka1，则：c(H+) =(Ka1Ka2c)/c =Ka1Ka2 【近似】在水的电离可以忽略的前提下，两性物质不很稀时，如果c10Ka1时，可以用近似公式；如果c10Ka1时，应该用精确公式。此结论可以推广到其它多元弱酸的酸式盐溶液。【对于碳酸氢钠溶液来说，只要浓度不小于4.210-6molL1（只要认为是碳酸氢钠溶液，就肯定符合此条件。），溶液的pH值就与溶液浓度无关，都等于8.31 。】例：计算0.100molL1NaHCO3（Ka1=4.210-7 Ka2=5.61011）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。因为c远大于Ka1，Ka2c远大于KW，c10Ka1，所以可以用近似公式计算：c(H+) =Ka1Ka2 = 4.210-75.61011 = 4.8510-9molL1 【pH=8.31】c(OH)=Kw/c(H) =1.010-14/4.8510-9= 2.110-6molL1c(HCO3-)c(NaHCO3)=0.100molL1 = 5.610110.100(4.8510-9)= 1.15464103mol/LKa2c(HCO3-)c(H+)c(CO32-)= 据【1】：= 4.8510-90.100(4.210-7)= 1.15476103mol/Lc(H2CO3) =c(H+)c(HCO3-)Ka1据【2】：c(Na+) c(HCO3-) c(H2CO3) c(CO32-) c(OH) c(H+) 【与直觉大相径庭！】6、弱酸弱碱盐的溶液【下面以醋酸铵溶液为例做理论探讨】在CH3COONH4的溶液中，存在如下3个平衡：CH3COO的水解平衡：CH3COOH2OCH3COOHOHc(OH)c(CH3COOH)c(CH3COO-)Kb = 把分子分母都乘以溶液中的氢离子浓度KWKa=c(OH)c(CH3COOH)c(H+)=c(CH3COO-)c(H+)【1】c(H+)c(CH3COO-)可以变形为c(CH3COOH)=KaNH4的水解平衡：NH4H2ONH3H2OHKa=c(H+)c(NH3H2O)c(NH4+) 可以变形为c(NH3H2O) =c(NH4+)Kac(H+)【2】H2OHOH Kw=c(H)c(OH) c(OH)=Kw/c(H) 【3】在醋酸铵溶液中有“质子守恒”关系式：KWc(H)+Kac(NH4+)c(H+)=c(H)c(CH3COO)Kac(H+) + c(H)c(CH3COOH)=c(OH)c(NH3H2O) 即： c(H) + 【1】= 【3】+【2】 c(H+) + c(CH3COO)KWc(H)+Kac(NH4+)c(H+) 两边都乘以c(H+)c(H+) 1 + Ka=c(H+)21+c(CH3COO-)/Ka=KW+Kac(NH4+)KW+Kac(NH4+)KaKW+Kac(NH4+)Ka+c(CH3COO-)1+c(CH3COO-)/Ka=c(H+) =因为Ka和Kb都很小【意思是说铵根离子的水解和醋酸根离子的水解都很微弱】，所以，它们的浓度基本上没有减小，也就是说：c(CH3COO-)c(NH4+)c 上式就成为：c(H+) =Ka(KW+Kac)/(Ka+c)如果Kac远大于KW，则：c(H+) =(KaKac)/(Ka+c) 【精确】如果c远大于Ka，则：c(H+) =(KaKac)/c =KaKa=(Ka/Kb)KW 【近似】在水的电离可以忽略的前提下，两性物质不很稀时，如果c10Ka时，可以用近似公式；如果c10Ka时，应该用精确公式。此结论可以推广到其它弱酸弱碱盐溶液。例：计算0.100molL1CH3COONH4（Ka=1.810-5 Kb=1.8105 Ka= KW/Kb=5.610-10）溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。因为c远大于Ka，Kac远大于KW，c10Ka，所以可以用近似公式计算：c(H+) =KW1 = 11014 = 110-7molL1 【pH=7】c(OH)=Kw/c(H) =1.010-7molL1c(CH3COO-)c(NH4+)0.100molL1 = 11070.100(1.810-5)= 5.6104mol/Lc(H+)c(CH3COO-)c(CH3COOH)= Ka据【1】：= 5.610-100.100(110-7)= 5.6104mol/Lc(NH3H2O) =Kac(NH4+)c(H+)据【2】：c(CH3COO-) = c(NH4+) c(CH3COOH) = c(NH3H2O) c(H+) = c(OH)7、缓冲溶液【我们在这里不讨论缓冲原理，只讨论下面的3种缓冲溶液中的微粒浓度的计算。】计算0.100molL1 CH3COOH和0.100molL1 CH3COONa的混合溶液中（除水分子浓度以外）的各种微粒浓度。混合溶液中存在如下情形：CH3COONa = CH3COONa （1） CH3COOHCH3COOH （2）由于（1）式产生了大量的醋酸根离子，使得（2）式强烈左移。【在此体系中，醋酸根的水解实际上就是醋酸电离平衡的左移。】所以：体系中的平衡主要是醋酸的电离平衡；由于醋酸的Ka远大于KW，醋酸浓度又很大（0.100mol/L），所以水电离产生的氢离子可以被忽略；由于醋酸的电离平衡强烈左移，使得它的电离度非常小（0.1molL1的醋酸溶液电离度=1.3%），所以c(CH3COOH)0.100molL1 。c(CH3COO)应该=0.100+醋酸电离生成的c(H+)，同样由于醋酸电离度非常小，c(H+)也就非常小，所以，c(CH3COO)0.100molL1 根据醋酸的电离常数表达式有：Ka=c(H)c(CH3COO)/c(CH3COOH) 所以： c(H) = Kac(CH3COOH) / c(CH3COO)Ka = 1.8105 molL1 c(OH) = KW/c(H) = 5.61010molL1 c(CH3COO) = 0.100 + c(H) c(CH3COOH)=0.100c(H)c(CH3COO-) c(Na) c(CH3COOH) c(H+) c(OH)计算0.100molL1 NH4Cl和0.100molL1 NH3