酸碱平衡PPT课件.ppt
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1、1,第四章 酸 碱 平 衡,4.1 酸碱理论4.2 水的自耦电离平衡4.3 弱酸弱碱的电离平衡4.4 酸碱电离平衡的移动4.5 缓冲溶液4.6 酸碱中和反应,2,Acid Rain:The lines on the map are pH isopleths,which identify regions in which the precipitation has the same pH,as indicated by the numbers.Notice that precipitation gradually becomes more acidic going from west to ea
2、st,especially in industrialized areas of the Northeast.This acid rain may be a result of the release of nitrogen and sulfur oxides into the atmosphere.,3,4.1 酸碱理论,(1)酸碱理论发展简史,1)酸碱的早期定义:有酸味,能使蓝色石蕊变红的物质叫酸;有涩味,使红色石蕊变蓝的物质叫碱。2)Arrhenius酸碱电离理论(1887)3)Brnsted-Lowry酸碱质子理论(1923)4)Lewis酸碱电子理论(1923)5)Pearson软硬
3、酸碱理论(1963),4,5,(2)Arrhenius酸碱电离理论(1887),酸碱定义:凡是在水溶液中能够电离产生H的物质叫作酸(acid),能电离产生OH的物质叫作碱(base)。,6,缺 点:1)并非只有含OH的物质才具有碱性,如Na2CO3、Na3PO4等的水溶液也呈碱性;2)仅局限于水溶液体系,对非水体系的酸碱性无能为力。例如,在液氨中NH4Cl和NaNH2的反应,7,(3)Brnsted-Lowry酸碱质子理论(1923),酸碱定义:凡是能给出质子的分子或离子(proton donor)称为酸,凡是能与质子结合的分子或离子(proton acceptor)称为碱。,由丹麦化学家Br
4、nsted和英国化学家Lowry于1923年分别提出。,例如,HCl、HAc、NH4、HCO3等都是酸;而OH、Ac、NH3、CO32等都是碱。可用以下反应式表示:,8,A Brnsted acid is a proton donor,and a Brnsted base is a proton acceptor.,共轭酸碱对:显然,酸给出质子后余下的那部分就是碱,碱接受质子后就成为酸。这种酸与碱的相互依存关系,叫作共轭关系,上述方程式中左边的酸是右边碱的共轭酸(conjugate acid),而右边的碱则是左边酸的共轭碱(conjugate base),彼此联系在一起叫作共轭酸碱对。,9,上
5、述共轭酸碱对的半反应不能单独存在,因为酸不能自动放出质子,而必须同时存在另一物质作为碱接受质子酸才能变成共轭碱;反之,碱也如此。因此,完整的反应应写成:,HCl在水中完全电离,10,NH3在水中部分电离,11,Hydronium ion,hydrated proton,H3O,Electrostatic potential map of the hydronium ion.The proton is always associated with water molecules in aqueous solution.The H3O ion is the simplest formula of
6、a hydrated proton.,水合氢离子,12,酸碱质子理论的特点:1)酸和碱是通过给出和接受质子的共轭关系相互依存和相互转化的,每一个酸要表现出它的酸性必须有另一个碱同时存在才行,反之碱亦如此。可用“有酸才有碱,有碱才有酸,酸中有碱,碱可变酸”来描述酸碱关系。这是该理论与Arrhenius酸碱理论的区别之一。2)大大扩大了酸碱的范围。盐的概念似乎需要重新认识,例如NH4Cl中的NH4是酸,NaAc中的Ac是碱。,盐的水解实际上就是组成它的酸或碱与溶剂H2O分子间的质子传递过程。从质子理论看,也是酸碱电离反应:,13,3)酸和碱既可以是分子型的,也可以是离子型的。还有一些两性电解质(a
7、mpholyte),既能给出质子作为酸,也能接受质子作为碱,简称两性物。例如,HS即为两性物:,4)弱酸、弱碱与溶剂水分子间的质子传递反应,称为弱酸和弱碱的电离平衡(ionization equilibrium)。,14,水溶液中常见的无机弱酸和弱碱,*醋酸实际上是一个有机酸,分子式为CH3COOH,简写为HAc.,15,酸碱强弱的表示方法,HCl(强酸),HF(弱酸),16,酸碱强弱不仅决定于酸碱本身释放质子和接受质子的能力,同时也决定于溶剂接受和释放质子的能力,因此要比较各种酸、碱的强度必须选定一种溶剂,最常用的溶剂是水。弱酸弱碱的强弱可用电离平衡常数K表示。例如,T=298K时,,1)电
8、离平衡常数,注意:Ka 无量纲,常简写为 Ka,简称为酸常数。此类液相反应压力的影响可以忽略不计。,由vant Hoff等温式,GT 2.30RT lgKa 可得,,17,在手册中可以查到酸常数,其共轭碱的电离平衡常数 Kb称为碱常数,可从Ka求算:,亦即,Kw=Ka Kb=1.0 1014,例如,Kb(Ac)Kw/Ka(HAc)1.0 1014/1.76 105 5.7 1010,18,共轭酸的酸性越强,其共轭碱就越弱;反之亦燃。根据表中的排列顺序,可以定性地比较在同一浓度下各弱酸(碱)的相对强度。,强碱,在水中100%质子化,不能独立稳定存在。,强酸,在水中几乎100%电离,其电离常数一般
9、通过理论推算求得,此表所列强酸电离常数约在103109数量级。,19,20,化学上也常用电离度表示弱电解质的相对强弱:,2)电离度,电离度的大小与浓度有关(类似于化学反应的转化率),而电离常数则与浓度无关,电离常数比电离度能更深刻地表明弱酸或弱碱电离的本质和能力。两者的简化关系式为=(Ka/C)1/2,21,For a monoprotic acid HA,HA0=initial concentration,22,须指出,在同一溶剂中,酸碱的相对强弱决定于各酸碱的本性,但同一酸碱在不同溶剂中的相对强弱则由溶剂的性质决定。例如,HAc在水中是弱酸,而在液氨中则是一个较强的酸,因为液氨接受质子的能
10、力比水强,促进了HAc的电离:,因此,酸碱的相对强弱与溶剂本身的酸碱性有密切关系。物质酸碱性在不同溶剂作用的影响下,“强可以变弱,弱也可以变强;酸可以变碱,碱也可以变酸”,这是酸碱质子理论与Arrhenius酸碱理论的另一个区别。,然而,HAc在液态HF中却表现为弱碱:,23,24,Weak Bases and Base Ionization Constants,Kb is the base ionization constant,Solve weak base problems like weak acids except solve for OH instead of H+.,25,26,
11、Ionization Constants of Conjugate Acid-Base Pairs,Ka Kb=Kw,Weak Acid and Its Conjugate Base,27,28,Molecular Structure and Acid Strength,The stronger the bond,The weaker the acid,HF HCl HBr HI,29,Molecular Structure and Acid Strength,Z,O,H,Z,O,+H+,+,The O H bond will be more polar and easier to break
12、 if:Z is very electronegative orZ is in a high oxidation state,30,Molecular Structure and Acid Strength,1.Oxoacids having different central atoms(Z)that are from the same group and that have the same oxidation number.,Acid strength increases with increasing electronegativity of Z,Cl is more electron
13、egative than Br,HClO3 HBrO3,31,Molecular Structure and Acid Strength,2.Oxoacids having the same central atom(Z)but different numbers of attached groups.,Acid strength increases as the oxidation number of Z increases.,HClO4 HClO3 HClO2 HClO,32,Acid-Base Properties of Salts,Neutral Solutions:,Salts co
14、ntaining an alkali metal or alkaline earth metal ion(except Be2+)and the conjugate base of a strong acid(e.g.Cl,Br,and NO3).,Basic Solutions:,Salts derived from a strong base and a weak acid.,33,Acid-Base Properties of Salts,Acid Solutions:,Salts derived from a strong acid and a weak base.,Salts wit
15、h small,highly charged metal cations(e.g.Al3+,Cr3+,and Be2+)and the conjugate base of a strong acid.,34,Acid-Base Properties of Salts,Solutions in which both the cation and the anion hydrolyze:,Kb for the anion Ka for the cation,solution will be basicKb for the anion Ka for the cation,solution will
16、be acidicKb for the anion Ka for the cation,solution will be neutral,35,Oxides of the Representative ElementsIn Their Highest Oxidation States,36,(4)Lewis酸碱电子理论(1923,美国物理化学家),酸碱定义:凡是能给出电子对的分子、离子或原子团都叫作碱,凡是能接受电子对的分子、离子或原子团都叫作酸。,37,Lewis酸碱概念的特点:1)酸碱反应不再是质子的转移而是电子的转移,是碱性物质提供电子对与酸性物质生成配位共价键的反应。故Lewis酸碱概
17、念又称为酸碱电子论。,2)Lewis酸的概念扩大了酸的范围,因为能接受电子对作为Lewis酸的物质不仅是质子(含氢的物质),也可以是金属离子或缺电子的分子等。例如,,38,3)Lewis酸碱是着眼于物质的结构。但由于很多无机及有机化合物都存在配位共价键,所以Lewis酸碱概念显得过于广泛,有时不易掌握酸碱特征。,39,(5)Pearson软硬酸碱理论(1963),1963年,Pearson在Lewis酸碱理论基础上,提出软硬酸碱理论。根据Lewis酸碱得失电子对的难易程度,将酸分为软、硬酸,碱分为软、硬碱,以体现各酸碱的特性。硬酸包括Al3、Ti4等a类金属元素,硬碱为F、Cl、H2O;软酸包
18、括Ag、Pt2、Hg2等b类金属元素,软碱为I、S2;(介于两者之间)交界酸包括Cu2、Fe2等,交界碱为NO2、SO32等。酸碱结合倾向的规律是:“硬酸优先和硬碱结合,软酸优先和软碱结合”,即反应倾向于生成硬硬、软软化合物。,40,(6)各酸碱理论的适用范围 非水溶液中的酸碱性 质子理论;水溶液体系中的酸碱性 质子理论甚至Arrhenius理论;有机化学和配位化学中的问题 Lewis电子理论;无机化合物性质 软硬酸碱理论。,41,4.2 水的自耦电离平衡,溶剂分子之间的质子传递:自耦电离平衡溶剂与溶质之间的质子传递:解离溶质之间的质子传递:中和反应 按Brnsted酸碱质子理论,溶剂分子之间
19、的质子传递反应称为溶剂自耦电离平衡(也称质子自递平衡)。例如,,42,一般采用Kw=1.0 1014,(1)水的离子积常数(Kw),Gf/(kJmol1)237.19 237.19 237.19 157.29,所以,K=H3O OH=1.0 1014(T=298K),该值即为水的自耦电离平衡的标准电离平衡常数,称为水的离子积常数,用Kw表示。,不同温度时水的离子积常数,43,What is the concentration of OH ions in a HCl solution whose hydrogen ion concentration is 1.3 M?,Kw=H3OOH=1.0
20、1014,H3O=1.3 M,44,(2)溶液酸度和碱度的常用表示法(pH,pOH),溶液的酸度和碱度分别指水溶液中的净H3O 和OH,常用pH和pOH表示。而酸或碱的浓度则包括未电离和已电离浓度之总和。pH=lg H3OpOH=lg OH pKw=lg Kw显然,pH+pOH=pKw=14 pH和pOH的使用范围一般在0 14之间。在这个范围以外,用物质的量浓度表示酸度和碱度反而更方便。,45,The pH of rainwater collected in a certain region of the northeastern United States on a particular
21、day was 4.82.What is the H+ion concentration of the rainwater?,pH=log H3O+,H3O+=10pH,=104.82,=1.5 105 M,The OH ion concentration of a blood sample is 2.5 107 M.What is the pH of the blood?,pH+pOH=14.00,pOH=log OH=log(2.5 107)=6.60,pH=14.00 pOH=14.00 6.60=7.40,46,A pH meter is a voltmeter that measur
22、es the pH electrochemically.Left:orange juice;Right:lemon juice.,47,H3O=OH,H3O OH,H3O OH,Solution Is,neutral,acidic,basic,H=1 107,H 1 107,H 1 107,pH=7,pH 7,pH 7,At 25C,48,Typical pH values of common aqueous solutions.The brown regions indicate the pH ranges for liquids regarded as corrosive.,49,The
23、sum of the pKa of an acid and the pKb of its conjugate base is constant,and equal to pKw,which is 14.00 at 25C.,50,4.3 弱酸弱碱的电离平衡,弱酸、弱碱与溶剂水分子之间的质子传递反应,统称为弱酸弱碱电离平衡。在水溶液中能电离出一个或多个H3O(OH)的弱酸(碱)分别称为一元弱酸弱碱或多元弱酸弱碱。,51,(1)一元弱酸、弱碱的电离平衡,根据一元弱酸(碱)的电离平衡常数以及它们的起始浓度,可以计算溶液的酸度或碱度。,例如,计算0.1molL1HAc水溶液的酸度:,所以,x=H3O+
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