无机化学第4篇酸碱反应课件.ppt
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- 无机化学 酸碱 反应 课件
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1、第四章第四章 酸碱反应酸碱反应4-1 酸碱理论概述4-2 电解质溶液的解离平衡4-3 电解质水溶液pH值的计算 4-1-1 关于电离理论关于电离理论 到目前为止,我们讨论酸碱时总是把电离把电离出的正离子全部是出的正离子全部是 H H+ + 的物质叫酸;把电离出的物质叫酸;把电离出的负离子全部是的负离子全部是 OHOH的物质叫碱。的物质叫碱。 中和反应的实质是:中和反应的实质是:H+OH- = H2O。这是根据阿仑尼乌斯在1887年时提出的理论来划分的。一般称为阿仑尼乌斯电离理论。电离理论只适用于水溶液电离理论只适用于水溶液, 4-1 酸碱理论概述酸碱理论概述4-1-2 质子质子酸碱酸碱理论理论
2、 1. 定义:定义:(1)酸酸凡是能凡是能给出质子给出质子H H+ +的分子或离子。的分子或离子。 所以有分子酸和离子酸,例如: 分子酸: HCl,HAc,H2O; 正离子酸: H3O+,NH4+ 负离子酸: HCO3-,H2PO4- 这些物质的共同之处是都能给出质子。例如:HClHCl 43NHHNH 2244H POHHPO 而且,给出质子的能力越强其酸性也越强。(2)碱碱凡是能凡是能与质子结合与质子结合的分子或离子。的分子或离子。 例如: 分子碱:NH3,H2O 正离子碱:Al(H2O)5(OH)2+ 负离子碱:OH,Ac,HCO3- 它们的共同之处是都能结合质子,例如:34NHHNH
3、232526() ()() Al H OOHHAl H O AcHHAc 而且,结合质子的能力越强其碱性也越强。(3)两性物质即能给出质子,又能结合质子的物质。例如:H2O, HCO3-,H2PO4-等等。 由此一来,酸碱的定义范围更大了。而且,没有了盐的名称和定义没有了盐的名称和定义。2. 共轭酸碱对共轭酸碱对 在质子理论中,任何一个酸给出一个质任何一个酸给出一个质子后就变成碱,任何一个碱结合一个质子后子后就变成碱,任何一个碱结合一个质子后就变成一个酸就变成一个酸 。例如: HAc 是酸,若是有反应: AcHAcH 生成的 Ac- 就是碱。HAc 与 Ac 是一对共轭酸碱对共轭酸碱对。我们说
4、 HAc 是 Ac 的共轭酸,而 Ac 是 HAc 的共轭碱。 一般来说:一般来说:共轭酸越强,它的共轭碱就越共轭酸越强,它的共轭碱就越弱弱;共轭碱越强,它的共轭酸就越弱共轭碱越强,它的共轭酸就越弱。 如:如:H2O = =H+OH- 水为最弱的酸,它的共轭碱是最强的碱。水为最弱的酸,它的共轭碱是最强的碱。 同一个共轭酸碱对中,共轭酸的同一个共轭酸碱对中,共轭酸的K Ka a与共轭与共轭碱的碱的K Kb b的乘积等于水的离子积常数的乘积等于水的离子积常数。 即: K Ka aK Kb b = 10 = 10-14-14 酸酸1 碱碱2 酸酸2 碱碱1NH3和和HCl的反应,无论在水溶液中或气相
5、中,的反应,无论在水溶液中或气相中,其实质都是一样的。其实质都是一样的。即即HCl是酸,放出质子给是酸,放出质子给NH3,然后转变为它的,然后转变为它的共轭碱共轭碱Cl-;NH3是碱,接受质子后转变为它的共轭酸是碱,接受质子后转变为它的共轭酸NH4+。强酸放出的质子,转化为较弱的共轭碱。强酸放出的质子,转化为较弱的共轭碱。3. 酸碱反应的实质酸碱反应的实质根据酸碱质子理论,酸碱反应的实质,就是两个根据酸碱质子理论,酸碱反应的实质,就是两个共轭酸碱对之间质子传递的反应。例如:共轭酸碱对之间质子传递的反应。例如: HCl + NH3 = NH4+ +Cl-4-2 电解质溶液的解离平衡电解质溶液的解
6、离平衡水溶液水溶液(熔融态)(熔融态)电解质电解质非电解质非电解质强电解质强电解质弱电解质弱电解质完全解离完全解离部分解离部分解离离子型化合物,离子型化合物,如如KCl, NaCl强极性键的共价强极性键的共价化合物,如化合物,如HCl,H2SO4如如H2O, HAc, NH34-2-1 4-2-1 强电解质溶液强电解质溶液 1 1、强电解质的电离、强电解质的电离 人们在实际测量上述强电解质溶液时发现,实验数据反映它们并不是100%电离的。象 HCl 为91%,KCl为86%等等,这是为什么呢?为什么呢? 由于静电吸引力的作用,每一正离子周围包围着一些负离子。靠近中心处负离子密一些,较远处负离子
7、稀少一些。如下图所示: 此即形成了所谓的离子氛离子氛。由于离子氛的存在,影响了离子迁移的速度,因此,使得离子不能完全发挥应有的导电效能。 此外,在高浓度强电解质溶液中还有离子还有离子对存在对存在。例如,Na+,Cl- 它们由于静电引力而靠在一起,但是并不形成分子(结合并不牢固),它们在外电场中也不定向移动,即失去了导电作用。所以也会使测量产生误差。 2、活度:、活度: 在研究强电解质溶液时引入一个叫做有效浓度的概念。有效浓度又叫做活度。有效浓度又叫做活度。活度活度单位体积电解质溶液中能自由移动的单位体积电解质溶液中能自由移动的某种离子的摩尔数某种离子的摩尔数。通常用a表示。 式中为活度系数,C
8、为离子浓度。一般来说离子浓度越大, 的值越小。 思考题: 请考虑提高离子浓度 C ,活度a是增大还是减小? 活度系数反映了离子在溶液中所受相互牵制作用的大小,所以它必定于溶液中所有离子的浓度和离子电荷有关。离子强度 I222112211()22iiIc Zc Zc Z例:求0.01molL-1BaCl2溶液的离子强度。解:2211221()2Ic Zc Z221(0.01 20.02 1 )0.032Ba2+2Cl-例:求0.1 molL-1 HCl和0.1 molL-1 CaCl2混合液的离子强度。2221I(0.1 10.1 20.3 1 )0.42解: H+ Ca2+ 3Cl- 在稀的强
9、电解质溶液中,离子氛的影在稀的强电解质溶液中,离子氛的影响可以忽略不计。可以认为此时强电解质响可以忽略不计。可以认为此时强电解质是是100%100%电离的,并且可以自由移动。电离的,并且可以自由移动。离子强度(I)活度系数Z=1Z=2Z=3Z=4110-30.930.830.730.565 10-30.920.720.510.39110-20.890.630.390.195 10-20.810.440.150.040.10.780.330.080.010.50.62-4-2-2 4-2-2 水的电离与水的电离与pHpH值值 1 1. . 水的电离平衡水的电离平衡 水是一种弱电解质,常温下有如下
10、平衡:2H OHOH 1410(25时) 当水温变化很小时Kw几乎不变,而且Kw不随水溶液中其它离子的浓度变化而变化。但是,当水温显著改变时当水温显著改变时KwKw也有改变。这一也有改变。这一点务必注意。点务必注意。 HOHKccwK OHH水的离子积常数2. pH2. pH值值 水溶液中氢离子的浓度称为溶液的水溶液中氢离子的浓度称为溶液的酸度。酸度。水溶液中H+离子的浓度变化幅度往往很大,浓的可大于10molL-1,一般溶液中H+ 很小,其数值读写都不方便。故用其负对数pH值表示,即:同样:pOHlgOH 因为:14wOH H K10所以pH+pOH=14pHlgH 3、拉平效应和区分效应、
11、拉平效应和区分效应自学要求:自学要求:1、什么是拉平效应和区分效应、什么是拉平效应和区分效应2、什么是拉平溶剂和区分溶剂、什么是拉平溶剂和区分溶剂4-2-3 4-2-3 弱酸、弱碱的电离平衡弱酸、弱碱的电离平衡1、一元弱酸、弱碱的电离平衡,电离常数一元弱酸、弱碱的电离平衡,电离常数例如:23HAc H OH OAc HAcHAc 324NHH ONHOH 其平衡常数为: aHAcKHAc43bNHOHKNH式中Ka是弱酸电离平衡常数,Kb是弱碱电离平衡常数,电离平衡常数简称电离常数。用通式表示就是:ABAB电离常数A BABKA B2、多元弱酸的电离平衡多元弱酸的电离平衡 例如: 222H S
12、HS 33443H POHPO 其实它们的电离过程都是分步进行的。比如:2H SHHS 1aHHSKHS2HSHS 22aHSKH S 其中K1为第一级电离常数,K2为二级电离常数。一般来说 ,K1K2 ,故比较弱酸故比较弱酸的酸性强弱只要比较的酸性强弱只要比较K K11的大小即可。的大小即可。K K11大大的一般酸性较强。的一般酸性较强。累积平衡常数(累积平衡常数(k) HnA = H + Hn-1A Ka1Hn-1A = H + Hn-2A Ka2 HA = H + A Kan通式: Hn-k+1A = H + Hn-kA k=1,2, n第第k级累积电离反应的通式:级累积电离反应的通式:
13、 HnA = kH + Hn-kAAHAHHnknkk1kkakkK11212,aaaKKK即逐级电离常数逐级电离常数4-3 4-3 有关酸碱溶液中的浓度计算有关酸碱溶液中的浓度计算4-3-1 4-3-1 酸碱溶液中的平衡关系酸碱溶液中的平衡关系一一. .物料平衡物料平衡: 物料平衡即质量平衡(用MBE表示),它是指在一个化学平衡体系中,某种组分的浓度等于该组分各种存在形式平衡浓度的总和。例如:0.10molL-1HAc溶液的MBE为: HAcHAc + Ac + Ac- - = HAc = HAc0 0 = 0.10mol = 0.10molL L-1-1又如:,总浓度为C0的Na2CO3溶
14、液的MBE2C0 = Na+COHHCOCOC323230二二. 电荷平衡电荷平衡 溶液中的正负电荷的总数应该相等,由此可以列出电荷平衡式(用EBE表示) 。 例如:在HCl水溶液中有:H+,OH,Cl等,而且有平衡式: HH+ + OHOH ClCl 又如:在NaAc溶液中,有Ac,H+,OH,Na+。 所以就有: AcAc OHOH HH+ +Na+Na+ + 在CaCl2溶液中有Ca2+,Cl,OH,H+ 。所以就有:2Ca2Ca2+2+H+H+ +=Cl=Cl+OH+OH 式中Ca2+带有2阶正电荷,相当于2个Cl的电量,所以Ca2+要乘以2。三三. 质子条件式质子条件式 在酸碱反应中
15、,一方失去的质子应该等于另一在酸碱反应中,一方失去的质子应该等于另一方得到的质子,由此可以列出质子平衡式方得到的质子,由此可以列出质子平衡式(用PBEPBE表示) 。(2)将溶液中其他酸碱组分与参考水准进行比较,哪些是得质子的,哪些是失质子的。 以一元弱酸HA为例.(1)首先选择溶液中大量存在的并参与质子转移的酸碱组分作为参考水准参考水准; 选大量存在的HA和H2O为参考水平(3)根据得失质子的物质的量相等的原则,将所有得质子后的组分的浓度相加并写在等式的一边,将所有失质子后的组分的浓度相加并写在等式的另一边,这样就得到质子条件式。质子平衡式为: H+OHAHHAA OHOHOHH2H3参考水
16、平参考水平是什么?多元弱酸,以H2A为例,选大量存在的H2A和H2O为参考水平: H2H AHA HH32H OH OOH 质子平衡式为: H+OH-2A2-+ HA-弱酸 HnA, 质子平衡式为: n1kknAHkOHHH+得质子产物平衡浓度 k失质子数Hn-kA失质子产物平衡浓度OH-水电离产物平衡浓度2H22H AA 参考水平是什么?NaHCO3水溶液水溶液参考水平参考水平 23H3H32COHCOCOH OHOHOHH2H3COOHCOHH2332Na2CO3水溶液水溶液参考水平参考水平 23H23223H3COCOHCOHCO OHOHOHH2H3OHCOH 2HCOH3234-3-
17、2 酸碱溶液中酸碱溶液中HH+ + 的精确计算的精确计算 1. 强酸强碱溶液pH值的计算HKCHwHCl整理之: HH+ + 2 2C CHClHClHH+ + K Kw w0 0 精确式精确式 以一元酸盐酸为例。在其水溶液中有: HClH+Cl 是完全电离的。 所以有: CHCl = H+HCl H2OH+OH PBE为 H+ = CHCl + OH-解之即有:HCCKHClHClw242此即为一元强酸溶液中H+的精确计算公式。讨论讨论: 1) 若CHCl 10-6 mol/L,则 (CHCl)2 4Kw 因此水的电离可以忽略,所以: HH+ + C CHClHCl。 2) 若CHCl 10
18、-8 mol/L,则 (CHCl)2 4Kw 因此H+主要来源于水的电离,所以:71102wHClwHKCK 3 3) CHCl在 10-8 10-6之间时可以精确式计算。 4)强碱的计算方法与上述相似,可以自行推导可以自行推导。 HCCKHClHClw242HAc是HAc的平衡浓度,它等于什么?OHOH- - 、AcAc- - 两项分别等于什么?2、一元弱酸溶液一元弱酸溶液 HH+ + 的计算的计算 以HAc为例,在水中有如下平衡: HAc H+Ac HAcAcHKawKHOHHHAcKAcaHHAcKHKHawwaKHAcKH精确式精确式PBE为: HH+ + OHOH- - AcAc-
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