第二章酸碱平衡和酸碱滴定法.ppt
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1、2023/2/2,1,酸碱反应及酸碱滴定,赵 广 柱,2007 5,2023/2/2,2,2.1 酸碱滴定法概述,一、酸碱质子理论1923年由布朗斯台德(Bronsted)提出,碱:能够接受质子(H+)的物质,如:HAC、HSO4-、H3BO3,两性物质:既能给出质子又能结合质子的物质,共轭酸碱对:这种因一个质子的得失而互相转变的每一对酸碱,称为共轭酸碱对。,酸:能够给出质子(H+)的物质,如:NH3、CH3NH2,如:HCO3-、H2O、NH2CH2COOH,共轭酸碱对,2023/2/2,3,二、分析浓度和平衡浓度,平衡浓度:反应达到平衡时,溶液中溶质某种型体的实际浓度,以 表示。,分析浓度
2、:溶液中,某种物质各种型体的平衡浓度之和,以c表示。,如:cHAc=HAc+Ac-,三、酸碱反应的平衡常数质子自递常数 H2O+H2O=H3O+OH-Kw在25:Kw=H3O+OH-=H+OH-=1.010-14酸碱反应的平衡常数 解离常数 HAc+H2O=H3O+Ac-,2023/2/2,4,1、活度常数(表值),2、浓度常数,3、一元酸的共轭碱,KaKb=H+OH=Kw=10-14(25),2023/2/2,5,3、多元酸Ka与Kb 的对应关系,三元酸H3A在水溶液中:,则:Ka1Kb3=Ka2Kb2=Ka3Kb1=H+OH=Kw,2023/2/2,6,例2:试求 HPO42-的 pKb2
3、和 Kb2。可知 Ka2=6.310-8,解:经查表可知 Ka2=6.310-8,即 pKa2=7.20 由于 Ka2Kb2=10-14 所以 pKb2=14-pKa2=14-7.20=6.80 即 Kb2=1.610-7,2023/2/2,7,2.2 分布分数的计算,分布系数(distribution coefficient):平衡时溶液中某物种的浓度占总浓度的分数,以表示。,一、一元酸的计算,以乙酸(HAc)为例:,溶液中物质存在形式:HAc;Ac-,总浓度为 c设:HAc 的分布系数为1;Ac-的分布系数为0;则:1=HAc/c=HAc/(HAc+Ac-)=1/1+(Ac-/HAc)=1
4、/1+(Ka/H+)=H+/(H+Ka)0=Ac-/c=Ka/(H+Ka)由上式,以对pH作图:,2023/2/2,8,HAc 分布系数与溶液pH关系曲线的讨论:,(1)0+1=1(2)pH=pKa 时;0=1=0.5(3)pH pKa 时;Ac-(0)为主,2023/2/2,9,二、二元酸的计算,以草酸(H2C2O4)为例:,存在形式:H2C2O4;HC2O4-;C2O42-;(2);(1);(0);总浓度:c=H2C2O4+HC2O4-+C2O42-2=H2C2O4/c=1/1+HC2O4-/H2C2O4+C2O42-/H2C2O4=1/1+Ka1/H+Ka1Ka2/H+2=H+2/H+2
5、+H+Ka1+Ka1Ka2 1=H+Ka1/H+2+H+Ka1+Ka1Ka2 0=Ka1Ka2/H+2+H+Ka1+Ka1Ka2,2023/2/2,10,H2A 分布系数与溶液pH关系曲线的讨论:,a.pHpKa2时 C2O4 2-为主d.pH=2.75时1最大;1=0.938;2=0.028;3=0.034,2023/2/2,11,三、三元酸的计算,以H3PO4为例,四种存在形式:H3PO4;H2PO4-;HPO42-;PO43-;分 布 系 数:3;2;1;0,2023/2/2,12,H3PO4分布曲线的讨论:(pKa1=2.12;pKa2=7.20;pKa3=12.36),(1)三个pK
6、a相差较大,共存现象不明显;,(2)pH=4.7时,2=0.994 3=1=0.003(3)pH=9.8时,1=0.994 0=2=0.003,2023/2/2,13,2.3 质子条件与溶液pH值的计算,一、物料平衡、电荷平衡和质子条件,物料平衡方程(material balance equation,PBE):在一个化学平衡体系中,某种溶质的总浓度等于各种型体平衡浓度之和。如:浓度为c的Na2SO3溶液,c SO=SO3 2+HSO3+H2SO3=c,3,2,例3:写出含有210-3 mol L-1Cu(NO3)2和0.2mol L-1NH3的混合溶液的物料平衡。,c NO=NO3=410-
7、3 mol L-1,3,解,c Cu=Cu 2+Cu(NH3)2+Cu(NH3)22+Cu(NH3)32+Cu(NH3)42+Cu(NH3)52+=210-3 mol L-1,2+,c NH=NH3+NH4+Cu(NH3)2+2Cu(NH3)22+3Cu(NH3)32+4Cu(NH3)42+5Cu(NH3)52+=210-1 mol L-1,3,2023/2/2,14,电荷平衡方程(charge balance equation,CBE):单位体积溶液中阴、阳离子所带正、负电荷的量相等。如:浓度为0.1mol L-1的CaCl2溶液,H+2Ca2+=Cl+OH,质子平衡方程(proton ba
8、lance equation,PBE):用得失质子的物质的量相等的原则而列出的失质子产物与得质子产物间的浓度关系式,又称质子条件。,零水准:质子转移的起点,选择大量存在于溶液中并参与质子转移过程的物质为零水准,列出质子条件的步骤:选择参考水平,即零水准(大量存在,参加质子转移);判断质子得失;总的得失质子的物质的量(单位mol)应该相等,列出的等式,即为质子条件。,2023/2/2,15,例4,一元弱酸HA水溶液,选择HA和H2O为参考水平:,HA A,H+H2O OH,PBE:H+=A+OH,例5 Na2CO3水溶液,选 CO32-和 H2O为参考水平:,H2CO32-HCO32-CO32-
9、,PBE:H+HCO3-+2H2CO3=OH-,H+H2O OH,2023/2/2,16,例6 Na2HPO4水溶液,选 HPO42-和 H2O为参考水平:,H3PO4H2PO4-HPO42-PO43-,PBE:H+H2PO4-+2H3PO4=PO43-+OH-,H+H2O OH,例7 NH4HCO3水溶液,选 HCO3-、NH4+和 H2O为 参考水平:,H2CO3 HCO3-CO3 2-,NH4+NH3,H+H2O OH,PBE:H+H2CO3=CO32-+NH3+OH-,2023/2/2,17,例8 写出含有浓度为c1的HAc和浓度为c2的NaAc 水溶液的质子条件式:,HAc Ac-,
10、H+H2O OH,PBE:H+HAc=OH-,选 Ac-和 H2O为参考水平:,+c1,HAc Ac-,H+H2O OH,PBE:H+=OH-+Ac-,选 HAc 和 H2O为参考水平:,c2+,2023/2/2,18,例9 写出含有浓度为c的H2SO4溶液的质子条件式:,HSO4-SO4 2-,H+H2O OH-,PBE:H+=OH-+SO4 2-,选 HSO4-和 H2O为参考水平:,+c,H2SO4为强酸,H2SO4=H+HSO4-,2023/2/2,19,二、pH值的计算,强酸(碱)溶液 pH的计算,1、强酸,(1),(2),c HCl 10-6,H+=c HCl,c HCl 10-6
11、,H+=c HCl+OH-,如:1.010-7 mol L-1HCl溶液,pH=7不合理。,H+=c HCl+OH-=c HCl+Kw/H+,解二次方程,得 H+=1.610-7,pH=6.80,2023/2/2,20,2、强碱,(1),(2),c NaOH 10-6,OH-=c NaOH,c NaOH 10-6,OH-=c NaOH+H+,如:1.010-7 mol L-1 NaOH溶液,pH=7不合理。,OH-=cNaOH+H+=c NaOH+Kw/OH-,解二次方程,得 OH-=1.610-7,pH=7.20,2023/2/2,21,一元弱酸(碱)溶液 pH的计算,代入质子条件式,得:,
12、HA=cHA(c:总浓度)H+3+KaH+2(cKa+Kw)H+KaKw=0 精确式,HA A,H+H2O OH,PBE:H+=A+OH,设一元弱酸HA的浓度为c mol L-1:,2023/2/2,22,讨论:,(1)当计算允许有5%的误差时,如果弱酸的浓度不是太小,即:KaHA=Ka c20Kw,则Kw可忽略,(2)若c H+,可以用总浓度近似代替平衡浓度则可得(条件Ka c20Kw,c/Ka500):,近似式,最简式,PBE:H+=A+OH,2023/2/2,23,例10:,求 0.010 molL-1 HAc溶液的 pH值,已知HAc 的pKa=4.74.,pH=3.37,解:cKa=
13、0.12 10-4.74 20K w 水解离的 H+项可忽略。又 c/Ka=0.010/10-4.74=102.74 500 可以用总浓度近似代替平衡浓度,用最简式。,4.210-4 mol L-1,2023/2/2,24,例11:,求 0.10 molL-1 一氯乙酸溶液的 pH,已知一氯乙酸 pKa=2.86.,pH=1.95,解:cKa=0.12 10-2.86 20K w 水解离的 H+项可忽略。又 c/Ka=0.10/10-2.86=72500 不能用总浓度近似代替平衡浓度,用近似式。,=1.110-2 mol L-1,2023/2/2,25,例12:,计算 0.10 molL-1的
14、 NH4Cl 溶液的 pH值。已知NH3 H2O的pKb=4.74,pH=5.13,解:NH4+的pKa=14-pKb=9.26 cKa 20Kw,c/Ka 500,用最简式,=7.510-6 mol L-1,浓度为c mol L-1的一元弱碱:,若cKa 20Kw,c/Ka 500,则,若cKa 20Kw,c/Ka 500,则,2023/2/2,26,例13:,计算 0.10 molL-1的NH3 H2O溶液的 pH值。已知pKb=4.74,pH=11.13,解:cKb 20Kw,c/Kb 500,用最简式。,=1.310-3 mol L-1,例14:,计算 1.010-4 molL-1乙胺
15、溶液的 pH值。已知Kb=5.610-4,pH=9.94,解:cKb 20Kw,c/Kb 500,用近似式。,=8.710-5 mol L-1,2023/2/2,27,极稀极弱的一元酸碱溶液(不能忽略水的电离):,cKa 20Kw,c/Ka 500,KaHA=Ka c,例15:,计算 1.0 10-4 molL-1的 H3BO3 溶液的 pH值。已知 pKa=9.24,pH=6.59,解:cKa=10-410-9.24=5.810-14 20Kw c/Ka=10-4/10-9.24=105.24 500,2023/2/2,28,例16:,计算 1.0 10-4 molL-1的 HCN溶液的 p
16、H值。已知 pKa=9.21,pH=6.57,解:cKa 20Kw,c/Ka 500,例17:,计算 2.0 10-5 molL-1苯甲酸钠溶液的 pH值。已知苯甲酸Ka=6.210-5,pH=7.06,解:Kb=Kw/Ka=1.6 10-10,cKb 20Kw,c/Kb 500,2023/2/2,29,例18 计算浓度为0.10 molL-1的 H2SO4溶液,0.010 molL-1的 Na2SO4溶液,0.020 molL-1的 NaHSO4溶液的 pH值。Ka=1.010-2,(1)H2SO4为强酸,已知其Ka=1.010-2,H2SO4=H+HSO4-0.10 0.10 0.10,解
17、:,0.10-x 0.10+x x,HSO4-,x=0.0084 molL-1,H+=0.1084 molL-1,2,pH=0.96,2023/2/2,30,(2)Na2SO4为一元弱碱,(3)NaHSO4为一元弱酸,Ka2=1.010-2,Kb1=Kw/Ka2=1.0 10-12,pH=7.15,cKb1 20Kw,c/Kb1 500,pH=2.20,cKa2 20Kw,c/Ka2 500,用近似式。,=1.010-2 mol L-1,2023/2/2,31,多元弱酸(碱)溶液 pH的计算,由于Ka1 Ka2,忽略第二步电离,按一元弱酸处理,例19:,计算 0.10 molL-1 H3PO4
18、溶液的 pH值,已知H3PO4的pKa1=2.12.,pH=1.62,解:cKa1 20K w,c/Ka 500,用近似式。,=2.410-2 mol L-1,例20:,计算 0.10 molL-1的Na2CO3溶液的 pH值。已知pKb1=3.75,pH=11.63,解:cKb1 20Kw,c/Kb1 500,用最简式。,=4.210-3 mol L-1,2023/2/2,32,两性物质溶液 pH的计算,既可给出质子,显酸性;又可接受质子,显碱性。NaHCO3、K2HPO4、NaH2PO4、NH4Ac、(NH4)2CO3及邻苯二甲酸氢钾等的水溶液。,NaHA质子条件:H2A+H+=A2-+O
19、H-将平衡常数Ka1、Ka2及Kw代入上式,得:,1、酸式盐,2023/2/2,33,(2)若允许有5%误差,cKa220Kw时,可略去Kw项,得:,(3)如果 c20 Ka1,则分母中的Ka1可略去,可得:,最简式,讨论:,精确计算式,(1)若HA得、失质子能力都较弱,则HAc;,近似计算式,2023/2/2,34,例21:,计算 0.10 molL-1的NaHCO3溶液的 pH值。已知 Ka1=4.210-7,Ka2=5.610-11,pH=8.31,解:cKa2 20Kw,c20Ka1,用最简式。,例22:,计算 0.010 molL-1的Na2HPO4溶液的 pH值。已知 Ka1=7.
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