高教分析化学酸碱滴定法.ppt
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1、1,第四章 酸碱滴定法,4.1 酸碱质子理论4.2酸碱溶液PH的计算4.3酸碱滴定终点的指示方法4.4酸碱滴定(重点讲解强酸碱滴定),2,4.1 酸碱质子理论4.1.1 酸碱定义和共轭酸碱对 1.酸碱理论的发展历史 三百多年前:英国物理学家RBoyle指出,酸有酸味,使蓝色石蕊变红,碱有涩味和滑腻感,使红色石蕊变蓝。1771 根据硫和磷分别在氧气中燃烧后的产物溶于水显酸性,指出O是所有酸类物质的共同组成元素。1881 英国化学家H.Davy以不含氧的盐酸否定上述观点,提出氢才是一切酸所不可缺少的元素。,第四章 酸碱滴定法,3,第四章 酸碱滴定法,1887 瑞典化学家提出了酸碱的电离理论.酸:凡
2、是在水溶液中电离产生的阳离子全部是H+(H3O+)的化合物。碱:凡是在水溶液中电离产生的阴离子全部是OH-的化合物。1923 J.N 和提出了酸碱质子理论,扩大了酸碱范围。2.质子酸碱的定义和共轭酸碱对 凡是能供质子的物质就是酸,凡是能接受质子的物质就是碱。如:酸:NH4+H+NH3;碱:Ac-+H+HAc,4,H+,第四章 酸碱滴定法,质子酸碱的共轭关系:质子酸质子+质子碱 酸中含有碱,碱可以变成酸。质子酸、碱的这种对应互变关系称为质子酸碱共轭关系。处于共轭关系的质子酸、碱就组成了一个共轭质子酸碱对。如:质子酸 质子+质子碱 共轭质子酸碱对HCl H+Cl-HCl Cl-H2SO4 H+HS
3、O4-H2SO4 HSO4,5,第四章 酸碱滴定法,既可以作为酸给出质子,又可以作为碱接受质子的物质叫做酸碱两性物。如:H2O H+OH-H2O+H+H3O+4.1.2 酸碱反应的实质质子转移反应质子酸碱反应如:醋酸在水溶液中的解离:,6,H+,H,第四章 酸碱滴定法,酸碱半反应:1)HOAc H+OAc-HOAc OAc-2)H3O+H+H2O H3O+H2O酸碱反应:HOAc+H2O H3O+OAc-简化为:HOAc H+OAc-通式:酸1(HA)质子(H+)+碱1(A-)+)质子(H+)+碱2(B)酸2(HB+)酸1(HA)+碱2(B)碱1(A-)+酸2(HB+),7,(水的质子自递反应
4、),第四章 酸碱滴定法,4.1.3 溶剂的酸碱性 溶剂通常分为H2O溶剂和非水溶剂。所谓溶剂的酸碱性就是指溶剂的质子活性,也就是溶剂是否具有接受或给出质子的能力。质子(迁移性)溶剂:能结合或给出质子的溶剂。它们具有质子活性。惰性溶剂:不能结合或给出质子的溶剂。两性溶剂:即可结合质子,也可以给出质子,典型的如H2O。H2O+H2O H3O+OH-,8,第四章 酸碱滴定法,以水为标准,质子溶剂可分为三类:1.两性溶剂:如H2O、CH3OH、C2H5OH 2.酸性溶剂:具有一定的两性,酸性显著地比水强,较易给出质子。如HAc、HCOOH 3.碱性溶剂:也具有一定的两性,碱性显著地比水强。较易接受质子
5、。如液氨、NH2CH2CH2NH2质子溶剂具有质子自递作用,如:NH3+NH3 NH4+NH2-CH3OH+CH3OH CH3OH2+CH3O-,9,类似的,变形为,第四章 酸碱滴定法,4.2 分布曲线不同PH溶液中酸碱存在形式的分布情况:1.分布系数:分布系数是溶液中各物种(型体)平衡时的摩尔分数,即其平衡浓度占总浓度的分数。酸碱溶液中求分布系数的方法是利用平衡常数表达式,将各物种的平衡浓度用Ka和H+来表示。对一元酸碱如HOAc或NaOAc:设总浓度为C,HOAc 为1,OAc 为0。则1=HOAc/C=HOAc/(HOAc+OAc)=1/(1+OAc/HOAc)将Ka=(H+OAc)/H
6、OAc代入上式:则:1=H+/(H+Ka);0=Ka(H+Ka)显然,HOAc+OAc 1+0 1,10,第四章 酸碱滴定法,对于二元酸碱:如 H2C2O4或Na2C2O4 2 H2C2O4/C=H+2/(H+2+Ka1H+Ka1 Ka2)1 HC2O4-/C=Ka1H+/(H+2+Ka1H+Ka1 Ka2)0 C2O42-/C=Ka1 Ka2/(H+2+Ka1H+Ka1 Ka2)式中Ka1、Ka2为H2CO3的逐级解离常数。2+1+0 1对于三元酸碱:H3PO4、NaH2PO4、Na2HPO4、Na3PO4等,11,第四章 酸碱滴定法,3 H3PO4/C=H+3/(H+3+Ka1H+2+Ka
7、1 Ka2H+Ka1 Ka2 Ka3)2 H2PO4-/C=Ka1 H+2/(H+3+Ka1H+2+Ka1 Ka2H+Ka1 Ka2 Ka3)1 HPO4 2-/C=Ka1 Ka2H+/(H+3+Ka1H+2+Ka1 Ka2H+Ka1 Ka2 Ka3)0 PO43-/C=Ka1 Ka2 Ka3/(H+3+Ka1H+2+Ka1 Ka2H+Ka1 Ka2 Ka3)式中Ka1、Ka2 Ka3为H3PO4的逐级解离常数。3+2+1+0 1,12,第四章 酸碱滴定法,酸溶液中各型体中表达式的规律:(1)表达式中仅含有H+和酸的逐级解离常数,Ka1,Ka2(2)对于n元酸,其表达式的分母共有(n+1)项,
8、第1项是H+的n次方,然后各项H+逐级降阶并乘以酸的逐级解离常数之积。(3)各种存在形式的之和等于1。这是物料平衡的另一种表达。对于碱:两种处理方法 如一元碱:NH3(1)用Kb和OH-表示:NH3 OH-/(Kb+OH-)NH4+Kb/(Kb+OH-),13,式中,第四章 酸碱滴定法,(2)用其共轭酸NH4+处理:NH4+1 H+/(Ka NH4+H+)NH3 0 Ka NH4+/(Ka NH4+H+)2.分布图 酸(碱)体系中与溶液的总浓度无关,而只与酸(碱)的相对强度和溶液的pH值有关。对于给定的酸(碱),则只是pH的函数。这种函数关系的图像就是分布曲线(分布图):pH图。(1)HOAc
9、的分布图见后:,14,(最大),第四章 酸碱滴定法,(2)H2C2O4的分布图H2C2O4 的pKa11.23,pKa24.19,二者相差不大。当pH=(pKa1+pKa2)/2=2.711=0.9383)(3)H3PO4的分布图:H3PO4的pKa12.12 pKa27.20 pKa312.36 利用分布系数可以进行一系列有关计算。,15,第四章 酸碱滴定法,4.2酸碱溶液PH的计算 质子平衡(PBE):酸碱平衡后,得质子后的产物所获得的质子与失去质子后的产物所失去的质子的物质的量必然相等。零水准法:先选择大量存在并参与质子转移的物质作为质子参考水准(零水准),通常选择原始酸碱组分,然后由溶
10、液中反应产物的质子的得失相等关系直接列出PBE。,16,+,+H+,+2H+,-H+,-H+,-H+,例:在浓度为C的 NaNH4HPO4溶液中:得质子后的产物 H3O+H2PO4-H3PO4 H+2 H+H+零水准(原始组份)H2O NH4+HPO42-失质子后的产物 OH-NH3 PO4-(Na+不产生质 子转移)PBE:H3O+H2PO4-+H3PO4=OH-+NH3+PO4-如:NaHCO3溶液 PBE:(自学),第四章 酸碱滴定法,17,第四章 酸碱滴定法,例:在浓度为C的 NaNH4HPO4溶液中:得质子后的产物 H3O+H2PO4-H3PO4 H+2 H+H+零水准(原始组份)H
11、2O NH4+HPO42-失质子后的产物 OH-NH3 PO4-(Na+不产生质 子转移)PBE:H3O+H2PO4-+H3PO4=OH-+NH3+PO4-如:NaHCO3溶液 PBE:(自学),18,.,第四章 酸碱滴定法,一元弱 酸碱水溶液中pH的计算 pH值可通过实验测定,如电势法,pH计等;或代数法进行计算。代数法步骤:(1)列出平衡关系式 如PBE(2)代入平衡常数表达式,解方程组(3)将精确式化简ka一元弱酸HA溶液:对于浓度为C的的HA溶液HA H+A-Ka=H+A-/HA;A-=kaHA/H+H2O H+OH-ka=H+OH-代入则得:H+=(ka HA+Kw)/H+H+=(k
12、a HA+Kw)1/2 一元弱酸计算的精确式,19,若弱酸不是太稀,酸强度不是太弱,即CHA/Ka105,,一元弱酸计算的近似式.,第四章 酸碱滴定法,若 CHA和Ka都不是很小,即CHA Ka 10KW,则H+主要来自弱酸的解离,可以 忽略水的解离,则有 HA=CH+,代入上式:H+=(C-H+)ka)1/2 一元弱酸计算的近似式.若弱酸不是太稀,酸强度不是太弱,即CHA/Ka105,则酸本身的解离可以忽略。则有HA CHAH+=(Cka+Kw)1/2 一元弱酸计算的近似式.总之,作近似处理时:,20,类似的,,第四章 酸碱滴定法,若CHAKa 10KW,则忽略水的解离:H+=(kaHA)1
13、/2 若C/Ka105,HA本身的电离很少,可以忽略,则:H+CHA则:H+=(C ka)1/2 一元弱酸计算的.最简式一元弱碱的最简式是:O H-=(C kb)1/2,21,第四章 酸碱滴定法,2.多元弱酸溶液:对于浓度为C 的H2CO3溶液质子条件PBE:H+=OH-+HCO3-+2CO3 2-作近似处理:多元弱酸Ka1 Ka2,可以忽略第二级解离,近似为一元弱酸处理:若C/Ka1 105,则:H2CO3 C CKa1 10KW,则:CKa1+KW CKa1得:H+=(C ka1)1/2 多元弱酸计算的最简式,22,第四章 酸碱滴定法,3.强酸溶液:对于浓度为C 的一元强酸溶液 当强酸浓度
14、C不是太小时,忽略水的解离:最简式:H+=C酸 当强酸浓度太小,C10-8时,主要是水的解离:H+10-7 如C酸10-8时,不可能pH=8,溶液变成碱性。4.两性物质:如NaHCO3 精确式:H+=(Ka2HA-+Kw)/(1+HA-/Ka1)1/2近似处理:也是三个条件:因Ka1 Ka2,酸碱的解离都很小,以C代替HA-CHA-Ka2 10KW时忽略水的解离 C/Ka1 10,略去根式内分母中的1最简式:H+=(KaKa2)1/2,23,要求:,第四章 酸碱滴定法,4.弱酸及其共轭碱混合液:如HOAcNaOAc 这实质是一种酸碱缓冲溶液,当CHOAc、COAc-不是太小,一般-1时,可以用
15、最简式:H+=KaCHA/CA-=KanHA/nA-牢记最简式及使用条件并熟练运用。对精确式应能理解。例:计算0.10 mol.L-1 NaCN溶液的pH,已知HCN的Ka=6.210-10。解:NaCN为一元弱碱,Kb=Kw/Ka=(1.0 10-14)/(6.210-10)=10-4.79 C/Kb=0.10/10-4.79 105;CKb 10 Kw,24,第四章 酸碱滴定法,可按最简式计算OH-=(C kb)1/2=(0.10 10-4.79)1/2=10-2.9 0pOH=-lg(10-2.90)=2.90;pH=14.00-pOH=11.10例:计算总浓度为0.100molL-1的
16、H2SO4 溶液的pH,已知pKa2=2.0。解1:H2SO4 HSO4-+H+Ka1 第一步完全解离 HSO4-H+SO42-Ka2 第二步解离平衡,25,得质子后的产物:H3O+H+H+零水准(原始组份):H2SO4 H2O-H+-2H+-H+失质子后的产物:HSO4-SO42-OH-,H+,H+,PBE:H+=HSO4-+2SO42-+OH-又 HSO4-=c(H2SO4)SO42-H+=c(H2SO4)+SO42-+OH-溶液为酸性,OH-很小,略去;又HSO4-可视为一元弱酸,SO42-可视为一元弱酸根根据分布系数,得:,第四章 酸碱滴定法,26,HSO4-,得 H+=0.108 p
17、H=0.96,第四章 酸碱滴定法,SO42-=c(H2SO4)Ka2/(H+Ka2)H+c(H2SO4)+SO42-代入Ka2值,展开,H+2+(0.01-0.100)H+0.2000.010=0解之,得H+=0.108 pH=0.96解2:酸中忽略水的解离。HSO4-H+SO42-Ka2 C平/molL-1 0.100 x 0.100+x x(0.100+x)x/(0.100 x)=Ka2=0.010解之,x=0.008展开,x2+0.110 x 0.010=0;解之,x=0.008 得 H+=0.108 pH=0.96,27,第四章 酸碱滴定法,4.2.4 酸碱缓冲溶液如:50ml纯水+1
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