第三章 酸碱反应与酸碱平衡课件

第三章酸碱反应和酸碱平衡,Chapter3Acid-BaseandDonor-AcceptorChemistry,1,PPT学习交流,酸碱是重要的化工原料,需求量逐年上升,2,PPT学习交流,酸碱反应是生物化学、地质学以及日常生活中很普遍也很重要的一类反应：,人的体液，pH值要保持在7.357.45；,胃中消化液的成分是稀盐酸，胃酸过多会引起溃疡；,激烈运动后，肌肉中产生的乳酸会使人感到疲劳；在牛奶中乳酸的生成能使牛奶凝结；,地质过程中岩石的风化、钟乳石的形成等也受到水的酸性的影响,3,PPT学习交流,药物阿司匹林、维生素C本身就是酸；,食醋含有乙酸；,柠檬水含有柠檬酸和抗坏血酸；,小苏打、洗涤剂等都是碱；,广义上的酸碱配合物在生物化学、冶金、工业催化等领域中也有重要应用。,沸石(分子筛)、杂多酸等是多相催化剂；,4,PPT学习交流,酸具有酸味、能使蓝色石蕊试纸变红的物质。碱具有涩味、滑腻感，能使红色石蕊试纸变蓝的物质。,酸碱电离理论（ArrheniusConcept）,酸碱质子理论（Brnsted-Lowryconcept),酸碱电子理论（LewisConcept）,3.1,3.1.1酸碱的定义,5,PPT学习交流,酸(Acid)在水溶液中经电离只生成H+一种阳离子的物质。,碱(Base)在水溶液中经电离只生成OH-一种阴离子的物质。,Arrhenius酸碱电离理论,HCl,H2S,HNO3，HCOOH等,NaOH,KOH,Ba(OH)2等,酸碱中和反应的实质：H+和OH-结合成水的反应,(1887年),6,PPT学习交流,强酸：HCl,H2SO4,HNO3,强酸或强碱是指在水溶液中能够完全解离出H+或OH_的酸或碱。,强碱：NaOH，KOH,弱酸或弱碱是指在水溶液中大部分以分子形式存在，只部分解离为H+或OH-离子的酸或碱。,弱酸：HAc，H2S,弱碱：NH3H2O,溶液中存在着解离平衡。,7,PPT学习交流,还可以根据从每个酸(或碱)分子能否电离出多个H+(或OH-)来划分：,只能电离出一个H+的称为一元弱酸。,能分步电离出多个H+的称为多元弱酸。,HAc，HCOOH,H2CO3HCO3-+H+,HCO3-CO32-+H+,H2S，H2CO3,H3PO4,8,PPT学习交流,局限性,酸和碱只局限于水溶液,把碱只局限于氢氧化物,Na2CO3,NH3,酸只限定在全部电离出H的物质,NaHSO4，NH4Cl,NH3和HCl在苯中的反应,盐：,强酸弱碱盐,弱酸强碱盐,强酸强碱盐,弱酸弱碱盐,NaCl,KNO3,NH4Cl,Na2S,Na2CO3,NH4Ac,9,PPT学习交流,酸碱质子理论,酸凡是能释放出质子的分子或离子。,碱凡是能与质子结合的分子或离子。,HCl,NaHSO4,NH4+等,NaOH,Cl-,NH3等,(Brnsted-Lowryconcept),(1923年),HAH+A-,B+H+BH+,（质子的给予体）,（质子的接受体）,10,PPT学习交流,酸H+碱,HAcH+AcH2PO4H+HPO4HPO42H+PO4NH4+H+NH3CH3NH3H+CH3NH2Fe(H2O)63H+Fe(OH)(H2O)52Fe(OH)(H2O)52H+Fe(OH)2(H2O)4,酸与碱之间的这种相互依存、相互转化的关系称为共轭关系，把仅相差1个质子的一对酸、碱称为共轭酸碱对（congugateacidandbase）。,11,PPT学习交流,两性物质：既能给出质子，又能接受质子的物质。,如：H2O，HSO4-，HCO3-，HPO42-，H2PO4-，HS-，Fe(OH)(H2O)5等。,12,PPT学习交流,酸越强，其共轭碱越弱；碱越强，其共轭酸越弱。,酸碱的相对强弱取决于它们给出或接受质子的能力。,酸性：HClO4H2SO4H3PO4HAcH2CO3NH4+H2O,碱性：ClO4-HSO4-H2PO4-Ac-HCO3-10-7molL-1时，,pH7pOH,14=pH+pOH,酸性溶液,中性溶液,碱性溶液,26,PPT学习交流,例,胃酸主要成分是HCl(aq)，某成人的胃酸pH=1.50(298.15K)。试计算其中的c(H+)，c(OH-)和pOH。该成人胃酸中的盐酸浓度是多少？,解：,由于盐酸是强酸，在水溶液中完全解离，因此，胃酸中的盐酸浓度为0.032molL-1。,27,PPT学习交流,常见液体的pH值,28,PPT学习交流,pH只适用于表示c(H+)或c(OH-)1molL-1，则pH1molL-1，则pH14。,此时，直接写出c(H+)或c(OH-)。,实际应用中使用pH试纸或pH计测定溶液的pH值，再计算c(H+)或c(OH-)。,29,PPT学习交流,pH计,温度传感器,电极,广范试纸或精密试纸,酸性增强,碱性增强,中性,30,PPT学习交流,可以用酸碱指示剂来确定pH值的范围,把指示剂发生颜色变化的pH范围称为酸碱指示剂的变色范围。,是一些有色的有机弱酸或弱碱，其特点是不同的形态在水溶液中呈现出不同的颜色，并且颜色只能在一定pH范围内保持。,31,PPT学习交流,甲基橙,石蕊,酚酞,有时也使用混合指示剂，由于颜色互补使变色间隔变窄,变色敏锐。,例：,pH02468,甲基红,溴甲酚绿,溴甲酚绿甲基红,甲基红,32,PPT学习交流,酸度：可用pH计测定。,酸的浓度：可被碱中和的酸的总浓度。,0.1molL-1HAc和0.1molL-1HCl,酸的浓度相同，但酸度不同，HCl的酸度比HAc大。,区分两个概念：,酸度和酸的浓度,33,PPT学习交流,3.3酸碱的强度,HA+H2OH3O+A-,B+H2OBH+OH-,解离平衡,弱酸的解离常数:,弱碱的解离常数:,c=1molL-1,34,PPT学习交流,Ka、Kb是表征弱酸、弱碱在水溶液中的解离程度大小的特性常数。,Ka越小，酸在水中的解离越困难，酸性越弱；Kb亦然。,Ki10-4：弱酸或弱碱；,10-2Ki10-4：中强酸或中强碱。,Ka(HCOOH)=1.810-4,Ka(CH3COOH)=1.810-5,35,PPT学习交流,Ki具有一般平衡常数的特征：,与浓度无关，,与温度有关。,Ki受温度的影响不大，室温下研究解离平衡时，一般可以不考虑温度对Ki的影响。,rGm=-RTlnK,36,PPT学习交流,解离度和稀释定律,解离度,解离度的定义：解离的分子数与分子总数之比。,在定容反应中，有,37,PPT学习交流,HAH+A-,也是表征弱酸、弱碱解离程度大小的特性常数。,相同温度、浓度下，越小，酸或碱的强度越弱。,38,PPT学习交流,HAH+A-,初始浓度c00,设HA的解离度为,平衡浓度,c,c,c(1-),当5%，或(c/c)/Ka500，则1-1。,温度一定下，浓度越小，解离度越大。,稀释定律,近似地,39,PPT学习交流,水溶液中共轭酸碱对Ka与Kb的关系,HAc+H2OH3O+Ac-(2),Ac+H2OHAc+OH-(1),H2O+H2OH3O+OH-(3),Kb(Ac-),Ka(HAc),Kw,求Kb(Ac-),(3)=(1)+(2),Kw=Ka(HAc)Kb(Ac-),40,PPT学习交流,KaKb=Kw,对于共轭酸碱对，有如下关系：,对于二元共轭酸碱对，有：,Ka1Kb2=Ka2Kb1=Kw,对于三元共轭酸碱对，有：,Ka1Kb3=Ka2Kb2=Ka3Kb1=Kw,41,PPT学习交流,*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”。,HIHClO4HClH2SO4HNO3,HI，HClO4，HCl，H2SO4，HNO3,在水中：,在冰醋酸中：,42,PPT学习交流,3.4一元弱酸或弱碱溶液中离子浓度的计算,HAH+A-,平衡浓度c(1-)cc,若(c/c)/Ka500，,则,则c(H+)Ka2(H2CO3),解离常数逐级减小,溶液中的H+主要来自于第一步解离反应，c(H+)的计算可按一元弱酸的解离平衡做近似处理。通常根据多元弱酸、弱碱的第一级解离常数的大小比较弱酸、弱碱的强弱。,大多数多元酸的Ka1，Ka2相差很大。,Ka1/Ka21000,53,PPT学习交流,例计算25oC时，0.010molL-1H2CO3溶液中的H+,H2CO3,HCO3-,CO32-和OH-浓度，以及溶液的pH。,Ka1(H2CO3)=4.210-7,Ka1(H2CO3)=5.610-11,解：,Ka1(H2CO3)/Ka2(H2CO3)1000,Ka1(H2CO3)Kw,可以认为溶液中的H+主要来自于H2CO3的第一步解离反应。,54,PPT学习交流,H2CO3HCO3-+H+,因为(c/c)/Ka=2.4104500，,c(HCO3-)=c(H+)=6.510-5molL-1,c(H2CO3)0.01molL-1,55,PPT学习交流,CO32-是在第二步解离过程中产生的,HCO3-H+CO32-,平衡浓度,molL-16.510-56.510-5y,设CO32-的平衡浓度为ymolL-1,c(CO32-)=Ka2(H2CO3)c=5.610-11molL-1,即,56,PPT学习交流,H2O(l)H+(aq)+OH-(aq),OH-来自H2O的解离,平衡浓度,molL-16.510-5z,c(OH-)c(H+)=KW,c(OH-)=KW/c(H+)=1.510-10molL-1,57,PPT学习交流,结论：多元弱酸的解离是分步进行的，一般溶液中的H+主要来自于弱酸的第一步解离，计算c(H+)或pH时可只考虑第一步解离；,58,PPT学习交流,2.c(CO32-)Ka2(H2CO3)molL-1,推广：在仅含二元弱酸的溶液中，Ka1Ka2(Ka1(H2CO3)/Ka2(H2CO3)1000)时，离子碱的浓度c(A2-)Ka2(H2A)c，与弱酸的初始浓度无关。,对于三元弱酸，,c(HPO42-)=Ka2(H3PO4)c,H3PO4,59,PPT学习交流,3.在二元弱酸H2A溶液中，c(H+)2c(A2-),(H2A的第二步解离只是部分的),c(H+)？c(A2-),多重平衡规则,H2AHA-+H+(1),HA-A2-+H+(2),+),H2AA2-+2H+,Ka1,Ka2,Ka,怎样控制c(A2-)？,60,PPT学习交流,可以通过调节c(H+)来控制A2-的浓度,加入强酸改变溶液的酸度(pH),对于二元弱酸，若c(H2A)一定时，c(A2-)与c2(H+)成反比,61,PPT学习交流,例25时，向0.30molL-1的HCl溶液中通入H2S气体至饱和，求溶液中的S2-浓度,并与H2S饱和溶液中的S2-浓度进行比较。c饱和(H2S)=0.10molL-1,62,PPT学习交流,多元弱碱的分步解离过程与多元弱酸类似。,Al(OH)3、CO32-、S2-、PO43-等,高价金属阳离子在水中都是以水合阳离子酸的形式存在，它们在水中的解离也是分步进行的。,Al(H2O)63+、Fe(H2O)63+等,习惯上称这类反应为金属离子的水解反应。,一般来说，浓度越小，温度越高，水解程度越大。,63,PPT学习交流,配制SnCl2、SbCl3溶液，应先加入适量盐酸。,SbCl3+H2O=SbOCl+2HCl,配制Bi(NO3)3溶液,Bi(NO3)3+H2O=BiO(NO3)+2HNO3,应先加入适量HNO3。,SnCl2+H2O=Sn(OH)Cl+HCl,配制Na2S溶液,应先加入适量NaOH。,64,PPT学习交流,3.6两性物质水溶液的酸碱性,HCO3-，HPO42-，H2PO4-，HS-等,HCO3-+H2OH3O+CO32-,酸式解离：,HCO3-+H2OOH-+H2CO3,碱式解离：,Ka2,Kb2,最简式：,65,PPT学习交流,对于任一酸碱两性物质，若,KaKb，即酸式解离趋势大于碱式解离趋势，水溶液呈酸性；Ka500,69,PPT学习交流,在0.10molL-1的HAc溶液中，(HAc)=1.3%，pH=2.89,在0.10molL-1HAc0.10molL-1NH4Ac溶液中，(HAc)=0.018%，pH=4.74,在HAc溶液中加入少量HCl溶液，,溶液的pH值降低，HAc的解离度降低。,在氨水溶液中加入少量NH4Cl晶体或NaOH(s)，,NH3H2O的解离度降低,同离子效应：向弱酸弱碱溶液中，加入与其含有共同离子的易溶强电解质而使弱酸弱碱的解离度降低的现象。,70,PPT学习交流,在生产和实验中，利用同离子效应调节溶液的酸碱性（缓冲溶液）；,同离子效应的应用,盐效应：影响酸碱平衡的另一因素。指在弱酸弱碱溶液中，加入其他的强电解质所引起的弱酸弱碱解离度增大的现象。,71,PPT学习交流,3.8缓冲溶液,在水溶液中进行的反应大都与溶液的pH有关，其中有些反应要求在一定的pH范围内，而一般的水溶液若受到酸、碱或水的作用，其pH会发生明显变化。,72,PPT学习交流,缓冲溶液具有能保持本身pH值相对稳定性能的溶液(也就是不因加入少量强酸或强碱而显著改变pH值的溶液)。,73,PPT学习交流,缓冲原理,当缓冲溶液中含有大量的HA和A-时，,HAA-+H+,c(H+)取决于Ka、ca/cb,74,PPT学习交流,适当稀释HA和A-溶液时，由于c(HA)和c(A-)以同等倍数下降，它们的比值不变，因此c(H+)、pH也不变。,75,PPT学习交流,当缓冲溶液中含有大量的B和BH+时，,B+H2OBH+OH-,c(OH-)取决于Kb，cb/ca,76,PPT学习交流,常用的缓冲溶液就是共轭酸碱对的混合溶液，如：HAcAc-、NH4+NH3、HCO3-CO32-、H2PO4-HPO42-等,构成缓冲溶液的共轭酸碱对又称为缓冲对。另：高浓度的强酸、强碱以及高浓度的两性物质也具有缓冲作用。,77,PPT学习交流,例若在50.00ml0.150molL-1NH3(aq)和0.200molL-1NH4Cl组成的缓冲溶液中，加入0.100ml1.00molL-1的HCl，求加入HCl前后溶液的pH值各为多少？,例计算下列各溶液的pH值：20.0ml0.10molL-1HCl(aq)和20.0ml0.20molL-1NH3(aq)混合；20.0ml0.10molL-1HCl(aq)和20.0ml0.10molL-1NH3(aq)混合。,78,PPT学习交流,(1)n(HCl)n(NH3),先反应生成NH4Cl，还有过量的NH3H2O,氯化铵氨水缓冲溶液：,pH=9.26,c(NH3)=c(NH4+)=0.050molL-1,pOH=4.74,解：,(注意：溶液等体积混合后，浓度减半!),(先反应再计算!),79,PPT学习交流,(2)n(HCl)=n(NH3)，即等物质的量的强酸和弱碱混合，生成等物质的量的离子酸NH4+，即计算此NH4+溶液的pH值。,c(NH4+)=0.10molL-1/2=0.050molL-1,NH4+NH3+H+,平衡组成，molL-10.050-xxx,(x/c)2/(0.05-x)/c=(1.010-14)/(1.810-5)=5.610-10,x=5.310-6molL-1,pH=5.28,80,PPT学习交流,缓冲能力和缓冲范围,当ca/cb=1/1010时，有pH=pKa+1，这一变化范围称为缓冲范围。,缓冲能力：使缓冲溶液的pH改变1.0所需的强酸或强碱的量。,缓冲对的浓度越大，缓冲能力越强。一般配制浓度在0.11.0molL-1即可。缓冲能力的大小取决于缓冲对的浓度及浓度的比值。应尽可能的使缓冲溶液的pH值接近pKa。,81,PPT学习交流,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；,82,PPT学习交流,pKa或14-pKb尽可能接近所需溶液的pH值；,若pKa或14-pKb与所需pH不相等，依所需pH调整ca/cb或cb/ca。,83,PPT学习交流,例已知：Ka(HCOOH)=1.810-4，Ka(HAc)=1.810-5，Kb(NH3)=1.810-5，则欲配制pH=3.0的缓冲溶液，应选用哪一种缓冲对？缓冲对的浓度比为多少？,例欲配制pH=9.00，c(NH3)=1.0molL-1的缓冲溶液500ml，需要固体(NH4)2SO4多少克？15molL-1的浓氨水多少毫升?,84,PPT学习交流,缓冲溶液的应用：,化学、化工、生命活动,H2CO3-HCO3-,NaH2PO4-Na2HPO4,血液pH值7.357.45,甲酸分解生成CO和H2O，H+可作为催化剂加快反应；,许多难溶金属氢氧化物、硫化物和碳酸盐等的溶解度与pH有关。可以用缓冲溶液控制溶液的pH从而控制它们的溶解度，达到分离鉴定的目的。,动脉pH8时，死亡,红血球中：H2CO3-HCO3-血红蛋白,NH3-NH4+,85,PPT学习交流,溶液pH值的一些基本计算,1.一元弱酸溶液中H+的计算公式,当弱酸的(c/c)/Ka500或5%,当(c/c)/Kb500或5%,当(c/c)/KbKa2Ka3，求解H+可以做以下处理:,当Ka1/Ka21000时，可作一元弱酸处理，Ka1作为衡量弱酸酸度的标志；,多元弱酸第二步解离平衡所得的共轭碱的浓度近似等于Ka2.,87,PPT学习交流,5.缓冲溶液pH值的计算,酸性缓冲溶液,碱性缓冲溶液,4.两性物质水溶液pH值的计算,