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第9章酸碱平衡

第9章酸碱平衡

[教学要求]

1.掌握酸碱质子理论。

2.掌握一元弱酸、弱碱在水溶液中的质子转移平衡和近似计算;了解多元酸、多元碱、两性物质的质子转移平衡和近似计算。

3.掌握同离子效应和盐效应的概念。

4.掌握缓冲溶液的作用和组成、缓冲作用机制、能熟悉地计算缓冲溶液pH值;掌握缓冲溶液的配制原则、方法及计算。

[教学重点]

1.酸碱质子理论。

2.弱酸、弱碱在水溶液中的质子转移平衡和近似计算。

3.同离子效应、盐效应、缓冲溶液。

[教学难点]

多元酸、多元碱、两性物质的质子转移平衡和近似计算。

[教学时数]8学时

[教学内容]

9-1酸碱质子理论

1、酸碱定义

1923年,丹麦BrÆnsred和英国Lowry:

酸:

凡能给出质子(H+)的物质都是酸。

例如:

HCl、NH4+、HSO4-是酸

碱:

凡能接受质子的物质都是碱。

例如:

Cl-、NH3、HSO4-是碱。

酸碱两性物质:

既能给出质子,又能接受质子。

例如HCO3-、H2O、NH3、HSO4-是两性物质。

2.共轭酸碱

共轭酸碱:

酸和其释放H+后的碱为共轭酸碱。

酸碱存在着对应的相互依存的关系;物质的酸性或碱性要通过给出质子或接受质子来体现。

①酸和碱可以是分子,也可以是阳离子或阴离子

②有的酸和碱在某对共轭酸碱中是碱,但在另一对共轭酸碱对中是酸;

③质子论中不存在盐的概念,它们分别是离子酸或离子碱

(1)强电解质的电离:

HCl+H2O=H3O++Cl-

强酸1强碱2弱酸2弱碱1

酸性:

HCl>H3O+

碱性:

H2O>Cl-

强酸和强碱作用生成弱酸弱碱的过程,是不可逆过程。

(2)弱酸的电离

HAc+H2O=H3O++Ac-

弱酸1弱碱2强酸2强碱1

NH3+H2O=NH4++OH-

弱酸1弱碱2强酸2强碱1

酸性:

HAc

H2O

酸性:

H2O

NH3

弱酸弱碱作用生成强酸强碱的反应,是可逆过程。

(3)水的自偶电离

H2O+H2O=H3O++OH-

弱酸1弱碱2强酸2强碱1

弱酸弱碱的相互作用是生成强酸强碱的反应是可逆过程。

(4)盐类的水解

Ac-+H2O=HAc+OH-

弱碱1弱酸2强酸1强碱2

也是弱酸弱碱作用生成强酸强碱的反应,是可逆过程。

(5)中和反应

二个共轭酸碱对之间的质子传递反应,强碱夺取强酸中的质子,生成更弱的酸及碱的反应。

(6)酸碱性强弱的比较

电离平衡常数

例1:

HAc+H2O=H3O++Ac-

Ka=[H+][Ac-]∕[HAc]

[H2O]是常数

Ka称为酸常数

例2:

NH3+H2O=NH4++OH-

Kb=[NH4+][OH-]∕[NH3]

Kb称为碱常数

(7)酸碱常数的相互关系

Ac-+H2O=OH-+HAc

Ka·Kb=KW

(8)溶剂对酸碱性的影响

HCl+H2O=H3O++Cl-

强酸1强碱2弱酸2弱碱1

在水中,

HAc+H2O=H3O++Ac-

弱酸1弱碱2强酸2强碱1

H2O是区分溶剂

在液氨中,

HCl+NH3=NH4++Cl-

强酸1强碱2弱酸2弱碱1

 

HAc+NH3=NH4++Ac-

强酸1强碱2弱酸2弱碱1

液氨是拉平溶剂

3.酸碱反应

实质:

质子从酸1转移给碱2,从而生成酸2和碱1。

酸1碱2酸2碱1

HCl+NH3=NH4++Cl-

H2O+NH3=NH4++OH-

HAc+H2O=H3O++Ac-

Al(H2O)63++H2O=H3O++Al(H2O)5(OH)2+

9-2水的离子积和pH

9-2-1水的自偶电离

1.水的离子积常数Kw

H2O+H2O=H3O++OH-

简写为:

H2O=H++OH-

平衡时:

Kc=[H+][OH-]/[H2O]

精确测定295K1L纯水中:

[H+]=[OH-]=1.00×10-7mol.L-1

1升水中:

nH2O=55.56mol

则:

[H2O]=55.56-10-7=55.56mol.L-1=常数。

故:

[H+][OH-]=Kc[H2O]

令:

Kc×55.56=Kw

得:

Kw=[H+][OH-]

Kw:

水的离子积常数。

热力学方法计算Kw:

见书313页。

水的自电离反应吸热,温度升高Kw增大。

见书313页表9-1。

常温下:

Kw=1.00×10-14。

2.PH值

1909年,丹麦生理学家索仑生提出用PH表示水溶液的酸度。

pH=-lg[H+]

同样,pOH=-lg[OH-]

常温pH+pOH=14

常温下pH=7中性溶液

pH<7酸性溶液

pH>7碱性溶液

pH的适用范围:

0-14。

常见水溶液的pH值见书314图9-1。

9-3酸碱盐溶液中的电离平衡

9-3-1强电解质

电离理论:

强电解质在水中完全电离。

强电解质包括:

典型的离子键化合物、强极性键共价型化合物(强酸、强碱、多数盐)。

强电解质溶液的特点:

1、实验证明:

强电解质电离的离子并不全是自由离子。

原因:

离子间的相互牵制作用。

2、强电解质电离的离子可能与水发生水解反应。

3、强电解质浓溶液的不完全电离。

P.316

9-3-2弱电解质

电离理论:

弱电解质在水中部分电离。

弱电解质包括:

弱酸、弱碱。

1、弱电解质在溶液中的电离:

电离平衡:

弱酸:

HA+H2O⇋H3O++A-

弱碱:

B+H2O⇋BH++OH-

2、电离平衡状态的定量描述

(1)电离度

概念:

电解质电离百分数。

α=(已电离分子数/电离前分子总数)×100%

分子数可由物质的量或浓度代替。

P.316

(2)电离平衡常数:

弱酸:

HA+H2O⇋H3O++A-

Ka=[H3O+][A-]/[HA]

弱碱:

A-+H2O⇋HA+OH-

Kb=[HA][OH-]/[A-]

共轭酸碱对:

Ka×Kb=[H3O+]×[OH-]=Kw

温度一定时,Ka、Kb是常数,可查表。

[例9-1]P.317

结论:

共轭酸碱常数可以互求.且酸越强,其共轭碱越弱.

Ka和Kb是一种平衡常数,可以估计弱电解质电离的趋势。

K值越大,电离常数越大。

Ka越大,酸越强;Ka越小,酸越弱

Kb越大,碱越强;Kb越小,碱越弱.见表9-3P.318

(3).K与α的关系:

HA(aq)⇋A(aq)+H+(aq)

c

c(1-α)cαcα

[H+][A]c2α2cα2

Ka=————=———≈——(<5%1-≈1)

[HA]c(1-α)1

=

稀释公式的意义:

(1)对同一弱电解质,Ki基本不变,溶液越稀,弱电解质的电离度越大。

(2)不同的弱电解质,浓度相同时,ɑ随Ki增大而增大。

P316表9-2

9-4水溶液化学平衡的计算

9-4-1一元弱酸

水溶液中:

H2O+H2O⇋H3O++OH-

HA+H2O⇋H3O++A-

近似:

忽略水的自电离。

HA(aq)+H2O(l)⇋A(aq)+H3O+(aq)

起始浓度c00(忽略水的电离)

平衡浓度c-[H3O+][A][H3O+]

=[H3O+]

Ka=[H3O+]2/(c-[H3O+])

近似式:

最简式(c/Ka>500):

9-4-2一元弱碱

A(aq)+H2O(l)===HA(aq)+OH-(aq)

起始浓度c00

平衡浓度c-[OH-][HA][OH-]

=[OH-]

Kb=[OH-]2/(c-[OH-])

近似式:

最简式(c/Kb>500):

[例9-2]

(1)计算0.1mol·L-1HAC溶液的[H+]和ɑ.P.320

(2)计算1×10-5mol·L-1HAC溶液的[H+]和ɑ.

[例9-3][例9-4]P.321

9-4-3同离子效应

讨论溶液中其它离子的存在对弱电解质电离度的影响。

1、概念

a、溶液中的其它离子与电解质电离产生的离子不同:

弱电解质:

AB⇋A++B-

加入其它离子:

CD→C++D-

盐效应:

在弱电解质溶液中加入其它强电解质时,该弱电解质的电离度增大的作用。

盐效应导致的α增大不显著。

在稀溶液中常不考虑。

b、溶液中的其它离子与电解质电离产生的离子相同:

弱电解质:

AB⇋A++B-

加入其它离子:

AD=A++D-

此时存在盐效应。

同离子效应:

在弱电解质溶液中加入与其含有相同离子的另一种强电解质时,该弱电解质的电离度减小的作用。

同离子效应相对更为显著。

2、定量计算:

同离子效应作用下[H+]、[OH-]的计算。

以MOH-MA为例说明:

MA→M++A-

起始C盐CM+=C盐CA-=C盐

MOH⇋M++OH-

起始C碱C盐0

平衡C碱-[OH-]C盐+[OH-][OH-]

考虑:

[OH-]<

近似:

C碱-[OH-]≈C碱,C盐+[OH-]≈C盐

则:

Kb=C盐[OH-]/C碱

得汉德森公式:

[OH-]=KbC碱/C盐

类似HA-MA体系的汉德森公式:

[H+]=KaC酸/C盐

计算实例:

见书322页例9-7、9-8。

9-4-4多元酸

1.定义:

多元酸(酸碱电离理论):

在水溶液中电离出一个以上的质子(H+)的酸。

(或多元酸:

含有一个以上可以电离的H+,如H2SO4、H3PO4、H2S、H2CO3、H2SO3)。

2.多元弱酸的电离平衡

(1)电离特点:

A.多元酸在水溶液中分步(级)电离。

298K时H2S的电离:

H2S+H2O=H3O++HS-Ka1=5.7×10-8

HS-+H2O=H3O++S2-Ka2=1.2×10-15

事实:

Ka1>>Ka2。

B.电解质多级电离的规律:

电解质多级电离的电离常数是逐级显著地减小的。

原因:

1、从负离子(HS-)中电离出带正离子(H+)要比从中性分子中电离出正离子(H+)困难;

2、第一级电离出的H+离子对第二级电离有很大的抑制作用(同离子效应)。

(2)多元弱酸的计算:

a、计算[H+]:

H2S=H++HS-

C-[H+][H+]+[S2-][HS-]-[S2-]

HS-=H++S2-

[HS-]-[S2-][H+]+[S2-][S2-]

因为:

Ka1>>Ka2,[S2-]很小。

近似:

[H+]+[S2-]≈[H+]≈[HS-]-[S2-]≈[HS-]

即:

[H+]计算只考虑第一级电离。

当C/Ka1≥500时:

b、计算[S2-]:

第二级电离:

HS-=H++S2-

[HS-][H+][S2-]

Ka2=[H+][S2-]/[HS-]

因为:

[HS-]=[H+]

得:

[S2-]=Ka2

纯多元弱酸第二级电离生成的酸根,其浓度近似等于第二级电离常数。

例9-9P324

c、酸度对多元弱酸电离的影响

合并第一、二级电离:

H2S=2H++S2-

得:

Ka=[H+]2[S2-]/[H2S]

显然:

Ka=Ka1Ka2

通过控制溶液的酸度,可以控制[S2-]:

例见书324页例9-10

3.多元酸(酸碱质子理论)还包括高价金属阳离子。

高价金属阳离子在水中的存在形式:

M(H2O)mn+。

高价金属阳离子与水的反应(水解):

[Al(H2O)6]3++H2O=[Al(H2O)5(OH)]2++H3+OKa1

[Al(OH)(H2O)5]2++H2O=[Al(H2O)4(OH)]++H3+OKa2

[Al(OH)2(H2O)4]2++H2O=[Al(H2O)4(OH)]++H3+OKa3

9-4-5多元碱

多元弱酸根与水的反应(水解)。

CO32-+H2O=HCO3-+OH-

[HCO3-][OH-][H+]Kw

Kb1=—————————=——

[CO32-][H+]Ka2

HCO3-+H2O=H2CO3+OH-

[H2CO3][OH-][H+]Kw

Kb2=————————=——

[HCO3-][H+]Ka1

2.以第一级电离为主(∵Kb1>>Kb2).且[OH-]主要来源于第一步电离。

3.多元弱碱的计算:

例求0.10mol·L-1的Na2CO3溶液的[OH-],已知H2CO3的Ka1=4.2×10-7,Ka2=5.6×10-11

[例9-11]:

P.326

9-4-6酸碱两性物质的电离

质子理论中既可以作为酸,又可以作为碱的物质。

如HCO3-、HS-、H2PO4-、HPO42-等。

HCO3-+H2O=H2CO3+OH-

[H2CO3][OH-]Kw

Kb2=——————=——

[HCO3-]Ka1

Kb2=2.3×10-8

HCO3-=H++CO32-

[HCO3-][H+]

Ka2=——————

[CO32-]

Ka2=5.61×10-11

从Ka和Kb的数值的相对大小判断溶液的酸碱性。

若Ka>Kb则溶液显酸性,反之显碱性。

9-5缓冲溶液

1.实验事实:

向纯水(pH=7.0)中加入少量酸或碱,pH值会发生显著变化

向HAc-NaAc混合液中加入少量酸或碱,溶液的pH值几乎不变。

2.缓冲溶液:

是一种能抵抗少量强酸、强碱和水的稀释而保持体系的pH值基本不变的溶液

3.缓冲原理:

HAc=H++Ac-

NaAc=Na++Ac-

加入酸,如HCl,H+与Ac-结合,生成HAc,[H+]变化不大,溶液的pH值变化不大。

加入碱,如NaOH,HAc与OH-与结合,生成Ac-,[H+]变化不大,溶液PH值变化也不大。

结论:

少量外来酸碱的加入不会影响溶液的pH值,缓冲溶液的缓冲能力有一定限度。

4.缓冲溶液[H+]的计算

弱酸—弱酸强碱盐

[H+]=Ka(C酸/C盐)pH=pKa-lg(C酸/C盐)

弱碱—强酸弱碱盐的缓冲体系:

[OH-]=Kb(C碱/C盐)pOH=pKb-lgC碱/C盐)

5.结论:

缓冲溶液的pH取决于两个因素,即Ka(Kb)及C酸/C盐(C碱/C盐)

适当地稀释缓冲溶液时,由于酸和盐同等程度地减少,pH值基本保持不变。

稀释过度,当弱酸电离度和盐的水解作用发生明显变化时,pH值才发生明显的变化。

6.选择缓冲溶液的步骤:

首先找出与溶液所需控制的pH值相近的pK值的弱酸或弱碱

一般(C酸/C盐)在0.1~10范围内具有缓冲能力,故pH=pKa±1

选择的缓冲液不与反应物或生成物发生反应,配制药用缓冲溶液时还应考虑溶液的毒性。

7.缓冲溶液的应用

许多化学反应要在一定pH范围内进行;人体血液必须维持pH在7.4左右。

9-6酸碱指示剂

酸碱指示剂通常是有机弱酸或有机弱碱。

酸碱指示剂作用原理

在溶液中:

HIn+H2O=In+H3O+

平衡时:

KHIn=[In][H3O+]/[HIn]

共轭酸碱对HIn-In的颜色不同。

酸度可以控制共轭酸碱对的相对浓度。

不同酸度指示剂有不同颜色。

实验证明:

当[In]/[HIn]在10-1/10之间时,

肉眼不能分辨HIn-In的颜色差异。

指示剂的变色域:

[In]/[HIn]在10-1/10之间时的pH范围。

pH=pKHIn±1

讨论:

a、[In]/[HIn]≤1/10时:

pH≤pKHIn-1

肉眼观测到共轭酸的颜色:

酸色。

b、[In]/[HIn]≥10时:

pH≥pKHIn+1

肉眼观测到共轭碱的颜色:

碱色。

c、[In]/[HIn]在10-1/10之间时:

pH=pKHIn±1

肉眼观测到共轭酸、碱混合色:

过渡色。

作业(333):

1、4、8、11、12、14、15、16、19、20、

 

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