《溶液和離子平衡》PPT課件

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1、 acid-F 阿 侖 尼 烏 斯 酸 堿 解 離 理 論 (Arrhenius acid-base ionization theory) 1887年瑞典化學家阿侖尼烏斯Svante Arrhenius根據(jù)他的解離學說，提出了酸和堿的概念，指出了酸堿反應的本質，從而建立了酸堿解離理論 。 酸 指 在 水 中 解 離 出 的 陽 離 子 全 部 為 H H2SO4 = HSO4- + H+ 堿 指 在 水 中 解 離 出 的 陰 離 子 全 部 為 OH- NaOH = Na+ + OH- 中 和 反 應 的 實 質 H+ + OH- = H2O理 論 局 限 ： 定 義 在 水 溶 液 中 ，

2、 對 氣 體 酸 堿 及 大 量 非 水 溶 液 中 進 行 的 化 學 反 應無 法 解 釋 ； 把 堿 定 為 氫 氧 化 物 ， 因 而 對 氨 水 呈 堿 性 的 事 實 難 以 說 明 ， 把 酸 和堿 看 成 是 兩 種 絕 對 不 同 的 物 質 忽 視 了 酸 堿 在 對 立 中 的 相 互 聯(lián) 系 和 統(tǒng) 一 。S. A. Arrhenius 瑞典化學家 F 布 朗 斯 特 -勞 萊 酸 堿 質 子 理 論 (Brnsted-Lowry acid-base proton theory) 酸 (acid): 任 何 能 給 出 質 子 的 物 質 ， 即 質 子 給 予 體 (

3、proton donor); 堿 (base): 任 何 能 接 受 質 子 的 物 質 ， 即 質 子 接 受 體 (proton acceptor)。 酸 堿 反 應 實 質 ： 質 子 的 傳 遞通 式 ： A (酸 ) B (堿 ) + H+ 式 中 ， A是 B的 共 軛 酸 (conjugate acid)， B是 A的 共 軛 堿(conjugate base)， A-B稱 為 共 軛 酸 堿 對 (conjugate acid-base pair)。 Johannes Nicolaus BrnstedJohannes Nicolaus Brnsted born in Varde

4、 (February 22, 1879 December 17, 1947) was a Danish physical chemist. Thomas Martin Lowry (October 26, 1874 November 2, 1936) was an English physical chemist.Thomas Martin Lowry 實 質 ： 兩 個 共 軛 酸 堿 對 之 間 的 質 子 傳 遞 ！ 酸 越 強 ， 其 共 軛 堿 越 弱 ； 堿 越 強 ， 其 共 軛 酸 越 弱 ； 反 應 總 是 由 相 對 較 強 的 酸 和 堿 向 生 成 相 對 較 弱 的

5、酸 和 堿 的 方 向 進 行 ； 對 于 某 些 物 質 ， 既 可 以 給 出 質 子 又 可 以 接 受 質 子 ，如 H2O、 HCO3-、 HS-等 ， 稱 為 兩 性 物 質 。 酸 堿 反 應 的 實 質 酸 堿 反 應 的 類 型F 酸 和 堿 的 解 離 反 應 F 酸 和 堿 的 中 和 反 應F鹽 的 水 解 O(l)H O(l)H (aq)OH (aq)OH 223 )(lOH (aq)NH (aq)NH (aq)OH 2433 )(aq Ac O(l)H (aq)OH HAc(aq) 2 H+H+H+ (aq)O)Cu(OH)(H + (aq)OH O(l)H + O

6、)Cu(H +32+32+242 =H+H+H+ (aq)OH HAc(aq) (aq) Ac O(l)H2 (aq)NH (aq)OH lOH (aq)NH 3324 )( 氟 磺 酸 是 比 硫 酸 更 強 的 酸 。 若 給 氟 磺 酸 中 加 入 SbF5， 則 其 進一 步 吸 引 氟 磺 酸 中 硫 原 子 的 負 電 荷 ， 得 到 比 氟 磺 酸 更 強 的 酸 。S的有效正電荷增大，酸給出質子的能力（即酸性）增大 SbF 5 HSO3F是 個 超 強 酸 , 它 能 使 幾 乎 所 有 的 有 機 化 合 物 加 合質 子 ， 得 到 五 配 位 碳 原 子 物 種 CH5+

7、。 人 們 將 氟 磺 酸 與 SbF5構 成 的系 統(tǒng) 稱 之 為 “ 魔 酸 ” (magic acid)。 OSbF5HOHO S OO FHO S OO FHO S O F 路 易 斯 酸 堿 電 子 理 論 (Lewis acid-base electron theory) Gilbert Newton Lewis Gilbert Newton Lewis (October 23, 1875 - March 23, 1946) was a famous American physical chemist known for his Lewis dot structures, his

8、1916 paper The Atom and the Molecule, which is the foundation of modern valence bond theory, developed in coordination with Irving Langmuir, and his 1923 textbook Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances, written in coordination with Merle Randall, one of the founding books in chemi

9、cal thermodynamics. In 1926, Lewis coined the term photon for the smallest unit of radiant energy. He was a brother of Alpha Chi Sigma, the professional chemistry fraternity. 布 朗 斯 特 酸 堿 概 念 的 核 心 系 于 分 子 或 離 子 間 的 質 子 轉 移 ，顯 然 無 法 對 不 涉 及 質 子 轉 移 、 但 卻 具 有 酸 堿 特 征 的 反 應 做 解 釋。 這 一 不 足 在 布 朗 斯 特 概 念

10、 提 出 的 同 年 由 美 國 化 學 家 路 易 斯 提出 的 另 一 個 更 廣 的 酸 堿 概 念 所 彌 補 ， 但 后 者 直 到 20世 紀 30年 代才 開 始 在 化 學 界 產 生 影 響 。 路 易 斯 酸 (Lewis acid)： 指 接 受 電 子 對 的 物 質 ， 即 電 子 對 的 接 受 體 (Electron pair acceptor); 路 易 斯 堿 (Lewis base)： 指 提 供 電 子 的 物 質 ， 即 電 子 對 給 予 體 (Electron pair donor)。 酸 堿 反 應 是 電 子 對 接 受 體 與 電 子 對 給

11、予 體 之 間 形 成 配 位 共價 鍵 的 反 應 。 弱 電 解 質 的 解 離 平 衡 v 水 的 離 子 積 常 數(shù) (ion-product constant for water) H2O + H2O H3O+ + OH-,簡 寫 為 ： H2O H+ + OH-水 是 一 種 很 弱 的 電 解 質 ， 只 發(fā) 生 極 少 的 部 分 解 離 ， 稱 為 水 的 自 解 離 (self-dissociation)。 是 一 個 重 要 常 數(shù) ， 通 常 稱 為 水 的 離 子 積 常 數(shù) ， 簡 稱 水 的 離 子 積 。wK精 確 的 實 驗 測 得 在 298.15K純 水

12、中 ： ceq(H+) = ceq(OH-)=1.0 10-7 moldm-3根 據(jù) 平 衡 原 理 ， 298.15K時 :根 據(jù) 平 衡 原 理 ， 298.15K時eq eq 14w (H ) (OH ) 1.0 10c cK c c 表 2-3 不 同 溫 度 時 水 離 子 積 常 數(shù)T/K 273 283 293 297 298 323 3731.1 10-15 2.9 10-15 6.8 10-15 1.0 10-14 1.0 10-14 5.5 10-14 5.5 10-13通 常 ， 水 的 離 子 積 值 與 溫 度 有 一 定 的 關 系 ， 隨 溫 度 升 高 而 增

13、大 。wK v 溶 液 的 pH 由 于 許 多 化 學 反 應 和 幾 乎 全 部 的 生 物 生 理 現(xiàn) 象 都 是 在 H+濃 度 極 小 的 溶 液中 進 行 ， 因 此 用 物 質 的 量 濃 度 來 表 示 溶 液 的 酸 堿 度 很 不 方 便 ， 常 用 pH值 表 示溶 液 的 酸 度 。 eq(H )pH lg c c eq(OH )pOH lg c c wp lgwK K 如 果 pH值 改 變 1個 單 位 ， 相 應 于 改 變 了 10倍 。 與 pH相 似 ， 和亦 可 分 別 用 pOH和 來 表 示 ， 則 : (OH )eqc wpK wKpH + pOH

14、= wpK在 T=298.15K時 ， pH + pOH = 14 此時c（H+）10-130 mol dm-3，若要在 l mol dm-1 H+ 的水溶液中找到一個未水合的H+ ，則體積要大到可容納1070個地球。H+ H 2OH3O+, DH = -761.5 kJ.mol-1& 水 溶 液 中 H+以 何 種 形 式 存 在 ？ v一 元 弱 酸 、 弱 堿 的 解 離 平 衡(The Ionization Equilibria of Weak Monoacids and Monobases) 一 元 弱 酸 如 乙 酸 （ HAc） 和 一 元 弱 堿 如 氨 水 （ NH3H2O）

15、 ， 它 們 在 水溶 液 中 只 是 部 分 解 離 ， 絕 大 部 分 以 未 解 離 的 分 子 存 在 。 溶 液 中 始 終 存 在 著未 解 離 的 弱 電 解 質 分 子 與 解 離 產 生 的 正 、 負 離 子 之 間 的 平 衡 。 這 種 平 衡 稱解 離 平 衡 。 弱 酸 ： HAc (aq) + H 2O (aq) H3O+ (aq)+ Ac- (aq) 簡 寫 為 ： HAc (aq) H+ (aq)+ Ac- (aq) 其 平 衡 常 數(shù) ， 即 弱 酸 的 解 離 常 數(shù) ：eq eqeq(H ) (Ac )(HAc)a c cc cK c c NH3 (aq

16、) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH- (aq)其 平 衡 常 數(shù) ， 即 弱 堿 的 解 離 常 數(shù) : 弱 堿 ： 4 3(NH ) (OH )(NH )b c cc cK c c 解 離 平 衡 常 數(shù) 是 化 學 平 衡 常 數(shù) 的 一 種 ， 表 示 弱 酸 弱 堿 的 解 離 趨 勢 ， K值愈 大 ， 解 離 程 度 愈 大 。 我 們 可 以 根 據(jù) 解 離 常 數(shù) 的 大 小 判 斷 弱 電 解 質 的 相 對 強 弱 。 通 常 情 況 下 人們 把 值 介 于 10 -2-10-7之 間 的 酸 叫 弱 酸 ， 而 小 于 10-7的 酸 叫 極 弱 酸

17、。 對 于 給 定 的 電 解 質 而 言 ， 解 離 常 數(shù) 與 溫 度 有 關 而 與 濃 度 無 關 。 但 一 般 說來 受 溫 度 的 影 響 不 大 ， 而 且 研 究 多 為 常 溫 下 的 解 離 平 衡 。 + - - -2HA:HA(aq) H (aq)+A (aq)A :A (aq)+H O(l) HA(aq)+OH (aq)對 于 一 元 弱 酸對 于 一 元 弱 堿 eq eqeq(H ) (A )(HA)a c cc cK c c eq eqeq(HA) (OH )(A )b c cc cK c c eq eq eq eq eq eq weq eq(H ) (A )

18、 (OH ) ( A) (H ) ( H )(HA) (A ) a b c c c c Hc c c c c c OK K Kc cc cc c v共 軛 酸 堿 對 的 解 離 平 衡 常 數(shù) 之 間 的 關 系a bK K 、 v一 元 弱 酸 的 解 離 度 、 解 離 平 衡 常 數(shù) 及 初 始 濃 度 的 關 系 aK 0c設有一元弱酸的解離平衡： H A (aq) H+ (aq) + A- (aq)初始濃度： c0 0 0解離達到平衡時的濃度： c0 - x x x22 0 0 ( ) 42a a aa K K c KxK xc x 則 ： ， 解 得 ：0 0 / 500ac K

19、c x c 若 解 離 平 衡 常 數(shù) 很 小 ， 且 初 始 濃 度 較 大 時 ， 或 時 ，可 以 近 似 認 為 ： 。0 0 0(H ) aac c Kc Kxc c 在 一 定 溫 度 下 ， 不 隨 濃 度 而 改 變 ， 為 一 個 常 數(shù) 。但 是 ， 電 解 質 溶 液 的 解 離 度 與 初 始 濃 度 的 平 方 根 成反 比 ， 即 濃 度 越 稀 解 離 度 越 大 ， 以 離 子 形 式 存 在 于溶 液 中 的 比 例 越 多 稀 釋 定 律 。aK / 500bc K 若 解 離 平 衡 常 數(shù) 很 小 ， 且 初 始 濃 度 較 大 時 ， 或 時 ，類 似

20、 地 ， 對 于 一 元 弱 堿 亦 存 在 著 稀 釋 定 律 ：00 0(OH ) bbc c Kc Kxc c v 多 元 弱 電 解 質 的 分 級 解 離 分 子 中 含 有 兩 個 或 兩 個 以 上 可 解 離 的 氫 原 子 的 酸 ， 稱 為 多 元 酸 。 氫 硫 酸(H2S)、 碳 酸 (H2CO3)為 二 元 弱 酸 ， 磷 酸 (H3PO4)為 三 元 酸 。 多 元 弱 酸 在 溶 液中 的 解 離 是 分 步 （ 級 ） 進 行 的 ， 氫 離 子 是 依 次 解 離 出 來 的 ， 其 解 離 常 數(shù)分 別 用 Ka1， Ka2， 表 示 。 例 如 H2S解

21、離 ： 一級解離 H 2S (aq) H+ (aq)+ HS- (aq) eq eq 81 eq 2(H ) (HS ) 9.10 10(H S)a c cc cK c c 二級解離 HS- (aq) H+ (aq)+ S2- (aq) eq eq 2 122 eq(H ) (S ) 1.10 10(HS )a c cc cK c c 1 2 3a a aK K K 一 般 地 ， 有 o 計 算 0. 1moldm-3飽 和 H2S溶 液 中 H+、 HS-和S2-的 濃 度 。 （ 已 知 每 升 水 中 可 溶 解 2.24升H2S氣 體 ） 同 離 子 效 應 和 緩 沖 溶 液 v

22、同 離 子 效 應 (common-ion effect)& 同 離 子 效 應 ： 在 弱 電 解 質 溶 液 中 ， 加 入 與 弱 電 解 質 具 有 相 同 離 子 的 強 電 解 質 時 ， 可 使 弱 電 解 質 的 解 離 度 降 低 的 現(xiàn) 象 。例 如 1. 在 氨 水 中 加 入 一 些 NH4Cl， 由 于 后 者 是 強 電 解 質 ， 在 溶 液 中 完 全 解 離 ， 于 是 NH4+濃 度 大 大 增 加 ， 使 平 衡 NH3H2O NH4+ + OH- 向 左 移 動 ， 從 而 降 低 了 氨 的 解 離 度 。例 如 2. 對 于 醋 酸 溶 液 ， 當

23、加 入 強 電 解 質 NaAc時 ， Ac -濃 度 大 大 增 加 ， 使 解 離 平 衡 HAc H+ + Ac-向 左 移 動 ， HAc的 解 離 度 降 低 。 1、 計 算 0.20 moldm-3NH3H2O的 解 離 度 。 2、 在 0.40moldm-3氨 水 溶 液 中 ， 加 入 等 體 積 0.40moldm-3NH4Cl溶 液 ，求 混 合 溶 液 中 OH-濃 度 、 pH值 和 NH3H2O的 解 離 度 。 并 將 結 果 與 上 例進 行 比 較 。 v 緩 沖 溶 液 (buffered solution)50 cm3 HAc-NaAc 溶 液c(HAc

24、) = c(NaAc) =0.10 moldm -3pH = 4.74緩 沖 溶 液 的 特 性 ： 向 緩 沖 溶 液 中 加 入 少 量 強 酸 或 強 堿 或 將 溶 液 適 當 稀 釋 ， 而 溶 液 本 身 pH能 保 持 相 對 穩(wěn) 定 ！加 入 1滴 (0.05cm3) 1moldm-3 HCl 加 入 1 滴 (0.05cm3)1moldm-3 NaOH50 cm3 純 水 pH =7 pH = 4.75pH = 3 pH = 11pH = 4.73 緩 沖 溶 液 的 緩 沖 原 理 HAc H+ + Ac- 大 量 (抗 堿 ) 小 量 大 量 (抗 酸 ) 外 加 少 量

25、 強 酸 (H )， 平 衡 向 左 移 動 外 加 適 量 堿 (OH-)， 平 衡 向 右 移 動對 HAcNaAc溶 液 ：對 NH 3NH4Cl溶 液 ： NH3(aq) + H2O(l) OH- (aq) + MH4+(aq) 大 量 (抗 酸 ) 小 量 大 量 (抗 堿 ) 外 加 少 量 強 堿 (OH-)， 平 衡 向 左 移 動 外 加 適 量 酸 (H )， 平 衡 向 右 移 動 F 緩 沖 溶 液 pH的 計 算 通 式 (HendersonHesselbalch equation ) 對 于 弱 酸 及 其 鹽 的 緩 沖 溶 液共 軛 酸 H+ + 共 軛 堿 e

26、q eqeq(H ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )a c cc c x c x x cK c x cc c 共 軛 堿 共 軛 堿 共 軛 堿共 軛 酸 共 軛 酸共 軛 酸兩 側 同 時 取 負 對 數(shù) ( )pH p lg ( ) a cK c 共 軛 酸共 軛 堿eq(H ) ( )( )ac cx Kc c 共 軛 酸共 軛 堿 對 于 弱 堿 及 其 鹽 的 緩 沖 溶 液共 軛 堿 + H2O OH- + 共 軛 酸同 理 可 推 導 出 ： b ( )pOH p lg ( )eqeqcK c 共 軛 堿共 軛 酸 計 算 含 有 0.10 moldm-3HAc和 0

27、.30 moldm-3NaAc溶 液 pH值為 多 少 ？ 100cm3緩 沖 溶 液 中 ， 加 入 1.0cm3的 1.0moldm-3鹽酸 ， 求 其 pH值 （ 已 知 HAc的 pKa=4.75） 9. 多 相 離 子 平 衡 與 溶 度 積v 多 相 離 子 平 衡 (沉 淀 -溶 解 平 衡 , precipitation dissolution equilibrium )在 一 定 條 件 下 ， 當 沉 淀 和 溶 解 的 速 率 相 等 時 ， 便 建 立 起 了 固 相 和 液 相 中 離子 之 間 的 動 態(tài) 平 衡 ， 即 為 多 相 離 子 平 衡 (亦 稱 為 ：

28、 異 相 平 衡 ，heterogeneous equilibrium )。 )(aqSO(aq)Ba (s)BaSO 2424 溶 解沉 淀 eq 2eq 2 4(SO )(Ba )s ccK c c Ks 稱 為 難 溶 電 解 質 的 溶 度 積 常 數(shù) ， 簡 稱 溶 度 積 (solubility product constant)。 A B (s) A (aq) B (aq)m nn m n m F 對 于 一 般 的 難 溶 電 解 質 AnBm來 說 ， 存 在 如 下 沉 淀 -溶 解 平 衡 ：eqeq (B )(A ) mn nms ccK c c 若 已 知 難 溶 電

29、 解 質 AnBm的 溶 度 積 常 數(shù) （ Ks ） ， 可 求 其 溶 解 度（ s） ； 反 之 已 知 溶 解 度 也 可 求 出 其 溶 度 積 常 數(shù) 。 二 者 關 系 如 下 ：( ) ( ) n m n m m nsK ns ms n m s v 溶 度 積 規(guī) 則A B (s) A (aq) B (aq)m nn m n m 對 于 一 般 反 應 ， ， 其 在 任 意 狀 況 下 的 離 子 濃 度乘 積 可 以 表 示 如 下 ： (B )(A ) mn nmc ccQ c c Qc Ks， 過 飽 和 溶 液 (oversaturated solution):沉 淀

30、 析 出 ， 直 到 達 到 飽 和 溶 液 為 止 。 v 多 相 離 子 平 衡 的 移 動 Qc Ks時 沉 淀 生 成離 子 濃 度 小 于 10-6moldm-3判 斷 下 列 條 件 下 是 否 有 沉 淀 生 成 （ 體 積 變 化 忽 略 ） 。 將 10cm3 0.02moldm-3CaCl2 溶 液 與 等 體 積 等 濃 度 的Na2C2O4溶 液 混 合 。 在 1.0moldm-3 CaCl2溶 液 中 通 入 CO2氣 體 至 飽 和 。 ； 若 往 10cm3 0.02moldm-3 BaCl2溶 液 中 加 入 10.0cm3 0.02moldm-3Na2SO4

31、溶 液 10.0cm3 0.04moldm-3Na2SO4溶 液問 溶 液 中 Ba2+是 否 沉 淀 完 全 ？ Qc Ks時 沉 淀 溶 解 2 23 32 3 2 2CaCO Ca COHH CO CO H O 生 成 弱 電 解 質 ： 2 2 3 2CuS Cu SHNOS NO H O 氧 化 還 原 反 應 ： 22 3 32 3 2AgBr Ag BrS OAg(S O ) 配 位 反 應 ： 2 24 423 3CaSO Ca SOCOCaCO 2 24 42 23 32 24 3 3 4 CaSO Ca SO) CaCO Ca COCaSO CO CaCO SO 443(C

32、aSO ) 1.4 10(CaCO )ssKK K 298.15K時 ， 19.7gBaCO3能 否 溶 解 于 1dm3濃 度為 0.15moldm-3的 K2CrO4溶 液 中 ， 并 全 部 轉 化為 BaCrO 4沉 淀 ？ 向 含 有 濃 度 均 為 0.01 moldm-3的 I-、 Cl-和 Br-混 合 溶 液 中 逐步 滴 加 AgNO3溶 液 （ 忽 略 溶 液 體 積 的 變 化 ） 。 判 斷 三 種離 子 的 沉 淀 順 序 ， 并 判 斷 當 最 后 沉 淀 的 離 子 剛 開 始 沉 淀時 ， 前 面 兩 種 離 子 是 否 沉 淀 完 全 （ 或 者 說 這 三 種 離 子 能否 完 全 分 離 ） 。