《酸碱化学》PPT课件.ppt

1、水 环 境 化 学 Environmental Chemistry of Water,4.1. 酸碱化学基础,4.2. 平衡计算,第四章. 酸碱化学,4.4. pH缓冲溶液和缓冲强度,4.5. 碳酸盐系统,4.6. 酸碱化学在水处理中的应用,4.7. 全球碳循环,概述,天然水中酸碱化学现象无处不在。 如水把矿物质溶解出来，常使水呈碱性； 水中的CO32-、HCO3-等离子对天然水起到缓冲作用；酸雨使缓冲能力较弱的水体呈酸性； 水中金属离子含量在很大程度上受水的酸碱性控制，酸性条件下，金属离子易溶解，碱性条件下易形成金属氢氧化物或氧化物沉淀，但碱性太高，沉淀又可能配离子形式溶解； 酸性条件下CN

2、-、S2-对鱼类的毒性比在碱性条件下大，而NH4+则比NH3毒性小； 工业废水pH值在6.5-9.0之间排放，才不会对水生物造成危害，灌溉水pH应在4.5-9.0之间，才不会对作物造成危害。,酸：能给出质子H+的分子或离子 碱：能接受质子H+的分子或离子 两性物质：既能给出质子，又能结合质子的物质,酸碱质子理论,4.1. 酸碱化学基础,酸：,碱：,4.2.1、质子转移关系式 酸碱进入水体后便有质子转移，平衡时，质子得失相等。,4.2. 平衡计算,M、n：得失质子数； PG、PL：得失质子的物种,例：将弱酸HA加入水中，写出质子转移关系式。,M、n：得失质子数； PG、PL：得失质子的物种,例：

3、将H3PO4加入水中，写出质子转移关系式。,H3PO4 H2O,H2PO-4 、HPO2-4 、PO3-4 OH-,H+,H+=H2PO-4+2HPO2-4+3PO3-4+OH-,质子转移关系式和电荷平衡关系式常可以互推，应用时二者选一即可。,例：有H2SO4进入某水体，使该水体成为10-3mol.L-1的H2SO4溶液，求平衡时溶液的pH值以及各组分的浓度。忽略水体缓冲能力、温度、离子强度的影响。,解：水中组分：H+、OH-、H2SO4、HSO4-、SO2-4，需列5个方程： 质量平衡： CT=H2SO4+HSO4-+SO2-4 =10-3 水的离子积： Kw=H+OH- 化学平衡（Ka可查

4、表）： H2SO4=H+HSO4- Ka1=H+HSO4-/H2SO4=103 HSO4-=H+SO2-4 Ka2=H+SO2-4/HSO4-=10-2,质子平衡：,联立上述5个方程得： H+=1.84*10-3 mol.L-1， pH=2.74 OH-=5.42*10-12 mol.L-1 HSO-4=1.56*10-4 mol.L-1 SO2-4=8.44*10-4 mol.L-1 H2SO4=2.87*10-10 mol.L-1,解：水溶液中有5种组分：H+、OH-、HClO、ClO-、Na+,例：NaClO是常用的漂白剂和杀菌剂。若配制的NaClO水溶液浓度为10-3mol.L-1，问

5、水溶液中的pH值以及各组分的浓度。,需列出5个方程： CT,Na=Na+=10-3 mol.L-1 CT,ClO=HClO+ClO-= 10-3 mol.L-1 ClO- +H2O=OH-+HClO Kb=(OH-HClO)/ClO- Kw=H+OH-= 10-14,HClO H+ ClO- H2O OH-,HClO+H+=OH-,可直接联解方程组，也可近似求解： 因ClO-是碱，假设：ClO-HClO ； HO-H+ （一般认为，误差5%允许假设成立）,解得： ClO-= 10-3 mol.L-1=Na HClO=OH-= 10-4.75 mol.L-1 H+= 10-9.25 mol.L-

6、1 即 pH=9.25,pc-pH图表示各组分浓度随pH变化的曲线，即寻找各组分浓度与氢离子浓度函数关系。,4.2.2、pc-pH图和a-pH图,例： 10-3 mol.L-1的NaClO水溶液，作H+、OH-、HClO、ClO-、Na+的pc-pH图。,解： H+、OH-与pH关系： pCH+=pH 、 pCOH-=14-pH （见图中2条对角线） HClO、ClO-与pH关系： CT，ClO=HClO+ClO-、Ka=H+ClO-/HClO 整理上2式得：HClO=CT，ClOH+/(Ka+H+)（1） ClO-=KaCT，ClO/(Ka+H+) （2）,分析（1）式HClO=CT，ClO

7、H+/(Ka+H+)（1） 当 H+ Ka ，即pHpKa时，pCHClO=pCT，ClO+pH-pKa 代入数据pCHClO=3，pKa=7.5 得： pCHClO=pH-4.5 当Ka = H+， pCHClO=pCHClO+lg2=3.3,分析（2）式 ClO-=KaCT，ClO/(Ka+H+) 当H+ Ka ，pCClO-=pKapCT，ClOpH=7.5+3-pH=10-pH ，斜率=1的直线； 当Ka H+，pCClO-=pCT，ClO=3，平行于pH轴的直线； 当KaH+，pCClO-=pCT，ClO+lg2=3.3,例：利用图4-1，求NaClO水溶液达到平衡时的pH值及水中各

8、组分浓度： 解：以ClO-和H2O为参比水平，写出质子平衡式：,HClO H+ ClO- H2O OH-,HClO+H+=OH-,二边取负对数：p(HClO+H+)=pOH- 图中A点满足上式，即A点为平衡点，该点对应的值从图中查到： pH=9.25，H+=10-9.25 mol.L-1， HClO=OH-=10-4.75 mol.L-1， ClO-=10-3 mol.L-1 B点为HClO溶液平衡点。（多元酸碱及a-pH图略）,例：,4.4.1、缓冲溶液的组成和作用原理 4.4.2、缓冲溶液的pH计算 4.4.3、缓冲溶液的配制,4.4 pH缓冲溶液,缓冲溶液加入少量酸或碱或稀释，pH值基本

9、保持不变的体系。,缓冲溶液组成共轭酸碱对体系,例：HAcNaAc; NH3H2ONH4Cl NaH2PO4Na2HPO4等,4.4.1、缓冲溶液的组成和作用原理,1. 缓冲溶液的组成,天然水因存在碳酸盐等共轭系统而具有缓冲能力，一般天然水pH=6-9范围内。水处理中常需保持一定的pH，以不使处理效率降低。,Ac-同离子效应，HAc电离受抑制，c(H+)很小，HAc和Ac-大量存在。 加酸， H+与Ac-结合成HAc，解离平衡左移，抵消部分外加H+的影响。 加碱，OH-与H+ 结合成H2O，解离平衡右移，抵消部分外加OH的影响。 加水，解离平衡右移，解离度增大，同时同离子效应减弱。,2. 缓冲溶

10、液的作用原理（以HAc, NaAc为例）,电荷平衡： Na+H+=Ac-+OH-,4.4.2、缓冲溶液pH的计算,例：求弱酸HAc与共轭碱NaAc组成的缓冲液的pH,联立得：,解：质量平衡： CT，Ac=HAc+A- 、CT，Na=Na+,化学平衡： Ka=H+Ac-/HAc 、Kw=H+OH-,设HAc和NaAc H+-OH- 近似求解得：,开始： c(酸) c(盐) 转化： x x x 平衡： c(酸) -x x c(盐)-x,另一求解方法：,4.4.3、缓冲强度（缓冲容量）,CA 、CB加入强酸、碱的浓度；加酸使pH下降，固取负,引起缓冲溶液单位pH变化所需加入的强酸或强碱的浓度mol.

11、L-1,对于HA-NaA缓冲体系，加入强酸HCl，则：,可证明，pH=pKa，这时0=1=0.5，有最大。所以，配制缓冲液时，选择盐与酸的浓度之比为了时，缓冲强度最大。,例：有一制药厂产生H+=10-1.8mol.L-1的强酸性废水，排放前要求中和到pH=6，但由于没有缓冲能力，使pH在4-11变动。为使pH稳定在6，须达到0.75mmol.L-1。加NaOH中和，加NaHCO3增加缓冲强度，问需加多少NaOH和NaHCO3才达要求？忽略影响。,解：加入NaHCO3，增加缓冲强度。H+=10-1.8到10-6，由 NaHCO3和NaOH共同中和。因此先求=0.75时的CT，CO3 ，即为所需N

12、aHCO3的量；再求剩下的H+还需多少 NaOH中和。,代入数据得： 0.75*10-3=2.3（10-6+10-8+0.666CT,CO3*0.334+0） 解得：CT,CO3=1.46*10-3m.mol.L-1。即需加NaHCO3的量。,使H+从10-1.8至10-6，需中和掉H+= 10-1.810-6=1.58*10-2mol.L-1。 NaHCO3、NaOH都对中和有贡献： HCO3-+H+=H2CO3 、 OH-+H+=H2O NaHCO3中和掉多少H+ ，只要看生成多少H2CO*3 H2CO*3= 0CT,CO3=0.666*1.4210-3=9.46*10-4mol.L-1，

13、这即为NaHCO3中和掉的H+。 需要加NaOH中和的H+= 1.58*10-29.46*10-41.48*10-2 mol.L-1,碳酸盐系统中存在的平衡关系可概括为：P87,4.5、碳酸盐系统,解决实际问题时，可分别处理成有无固体和封闭和开放系统4种情况。 如：在水处理厂，当处理池表面积对总体积比值较小，水停留时间较短，当水中无碳酸盐固体时，可视为无固体存在的封闭系统； 在研究分层湖泊下层水时，当底泥中存在CaCO3沉积物时可把研究对象看成有固体存在的封闭系统； 在活性泥水处理厂中的曝气池是一个开放系统。,碳酸盐系统是天然水中优良的缓冲系统，它与水的酸碱度、生物活动、水处理（水质软化）等有

14、关。,4.5.1、碳酸盐物种浓度的计算,例：某河流，pH=8.3，CT,CO3=3*10-3mol.L-1。有含10-2 mol.L-1 H2SO4的废水排入该河流。假如河流pH值不得降低至6.7以下，问每升河水中最多可排入这种废水多少毫升？,解：由于酸碱反应十分迅速，可视为封闭系统来处理。 当pH=8.3，主要物种为HCO-3 ： HCO-3 =CT,CO3=3*10-3mol.L-1。 加入酸，将一部分HCO-3转化为H2CO*3 ： H- + HCO-3 = H2CO*3 Ka1=10-6.3 当 pH=6.7，主要物种为 HCO-3 、H2CO3 。,即加酸至pH=6.7时，有8.6*

15、10-4mol.L-1的H2CO3 生成，即每升河水中要加入的H+，相当于每升河水中加入含10-2mol.L-1 H2SO4 的废水量V为：,因此每升河水中可加入含10-2mol.L-1 H2SO4 的废水43mL。,4.5.2、碱度与酸度,碱度指接受质子能力的量度；酸度指接受羟基离子能力的量度；而pH值指-lgH+。单位：mol.L-1 pH 碱度（滴定HCl的浓度） 10-3 mol.L-1 的NaOH 11 10-3 mol.L-1 0.1 mol.L-1 的NaHCO3 8.3 0.1 mol.L-1,碱度对于水处理、生物学作用有重要意义。 水处理中常用铝盐作絮凝剂除去水中悬浮物：Al

16、3+ + 3OH- = Al(OH)3 ，胶状Al(OH)3沉淀把悬浮物带下的同时，也除去了水中的碱度； 当藻类迅速生长，由于CO2 消耗过快，不能保持与大气CO2平衡，pH会升高至10以上，此过程中 HCO-3参与转化成生物物质：CO2 + H2O+hv = CH2O+O2 、HCO-3 +H2O = CH2O+OH-+O2,各碱度与酸度的化学计量点及相应的计算公式P96,苛性碱度：滴定到CT,CO3=CO2-3时，所有的OH-被中和； 碳酸盐碱度：继续滴定到CT,CO3=HCO-3时，所有的CO2-3被中和； 总碱度：继续滴定到CT,CO3=H2CO3时，所有的HCO-3被中和 ；,例：已

17、知某个属于碳酸盐系统的水样的pH=7.8，测定总碱度时，对100mL水样用0.02mol.L-1的HCl滴定，至甲基橙指示剂变色消耗盐酸13.7mL。求水中的总无机碳浓度，即CT,CO3。,解：据公式：,将上述数据代入公式（1）解得： CT,CO3 = 2.83*10-3 mol.L-1,4.6、酸碱化学在水处理中的应用,工业废水许多带酸碱性，直接排放，要腐蚀管道、损坏农作物、伤害鱼类、危害人体健康。 酸性废水主要来自钢铁厂、电镀厂、化工厂、矿山等；碱性废水主要来自造纸厂、印染厂、化工厂等。 处理：中和、回收利用、沉淀重金属等。,如德国对含有1%硫酸和1%2%的硫酸亚铁的钢铁酸洗废液，先经石灰浆处理至pH=910，然后进行曝气以帮助Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3沉淀，经过沉降，上层清液再加酸调整到pH=7-8，使水可重复使用。,碱性废水常用酸(H2SO4工业硫酸更经济、HCl)和酸废水、烟道气(CO2、SO2、H2S)等中和。,根据化学计量关系，计算加入硫酸量：,如，印染废水中的碱主要有NaOH、Na2CO3、Na2S等，与硫酸反应：,NaOH+ H2SO4 = Na2SO4 +H2O Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O +CO2 Na2S + H2SO4 = Na2SO4 + H2S,其中：NA酸总耗量kg.h-1；a酸性药剂比耗量；C酸纯度；