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文档简介
1Chapter4Acid-BaseEquilibriaThreeissues:溶液理论Acid-BaseTheoryAcid-BaseEquilibria21.Solutions
1.1Concentrationunits
(1)
Molarity(M)
(2)Molality(m)
3(3)Molefraction(X)XA+XB+…=1
4
1-2Colligativepropertiesofnonelectrolytesolutions
Thosesolutionpropertieswhichdependprimarilyontheconcentrationofsoluteparticlesratherthantheirnaturearecalledcolligativeproperties(依数性).Fourphysicalpropertiesofsolutionsarethesameforallnonvolatilesolutes:vaporpressureloweringboilingpointelevationfreezingpointdepressionosmoticpressure
56(1)Vaporpressurelowering
“在一定温度下,稀溶液的蒸气压等与纯溶液的蒸气压与溶剂摩尔数的乘积。”P=PA0XA=PA0(1-XB)7(2)Boilingpointelevation
ΔTb=T溶液-T溶剂
=Kb
mm:溶液的质量摩尔浓度单位:mol·kg-1,Kb:溶剂的沸点上升常数,单位K·kg·mol-1,是溶质的质量摩尔浓度为1mol·kg-1
时所引起的溶液沸点上升的数值。8(3)FreezingpointdepressionΔTf=Tf溶剂-Tf溶液=Kf
mKf:溶剂的摩尔凝固点下降常数,单位K·kg·mol-1,即m=1mol·kg-1时所引起的溶液凝固点的下降值。例如:Kf(H2O)=1.68K·kg·mol-19例:汽车的散热冷却水,冬季加入乙二醇(或甲醇⁄甘油),可防止结冻,冻裂水箱。求:在1kg水中,加入甘油989g,可使溶液的凝固点下降多少度?(甘油的分子量:MC3H8O3=92g/mol)解:ΔTf=Kf
mKf(H2O)=1.86K·kg·mol-1
m=(989
92)⁄1kg=10.75mol·kg-1
ΔTf=1.86
10.75=20(K)ΔTf=273-Tf溶液Tf溶液=253K10(4)Osmoticpressure
111213Л=nRT⁄V=CRTP=nRT⁄V141-3强电解质溶液互吸理论
问题:电解质溶液“依数性”反常解释:完全电离,且离子互吸
15强电解质溶液的互吸理论要点:(1)强电解质在水中完全电离,电离度а=100%.(2)(只考虑正负离子静电作用,不考虑离子的水合,离子溶剂作用)形成“离子氛”每个离子周围异号离子多于同号离子,净结果是在每个离子周围形成球形对称的“离子氛”,离子氛的电荷在数值上等于中心离子的电荷,符号相反。16
(3)活度:溶液中实际发挥作用的离子浓度,叫有效浓度,或称活度。
(4)“活度”的根源在于离子间作用力(m、Z越大,作用力越大)用离子强度来衡量
单位:mol/kg17(5)25℃,稀溶液(I
0.01m)1923年,德拜-休克尔的极限公式(Debye–Hückel’slimitinglaw)
18例1:0.1mol·kg-1盐酸和0.1molkg-1CaCl2溶液等体积混和,计算该溶液的I及aH+。解:mH+=0.05mol·kg-1mca2+=0.05mol·kg-1mcl-=0.15mol·kg-1∴I=1/2∑mizi2=1/2(0.05×12+0.05×22+0.15×12)=0.2mol·kg-1㏒f±(HCl)=-0.509∣1×1∣0.2.1/2=-0.2276f±=0.519=f+=f-∴aH+=f+mH+/m0=0.59×0.05=0.0295,误差较大。
㏒f±(HCl)=-0.509∣1×1∣0.2.1/2/(1+0.2.1/2)=-0.1573f±=0.70∴aH+=0.70×0.05=0.03519例2:I=1.0×10-4mol·kg-1,计算NaCl溶液,MgSO4溶液的f±。
解:一价离子NaCl㏒f±=-0.059∣1×1∣(1.0×10–4)1/2=-0.00509,f±=0.99二价离子MgSO4㏒f±=-0.059∣2×2∣(1.0×10–4)1/2=-0.02036,f±=0.95三价离子
㏒f±=-0.059∣3×3∣(1.0×10–4)1/2=-0.0458,f±=0.90四价离子
㏒f±=-0.059∣4×4∣(1.0×10–4)1/2=-0.0814,f±=0.83结论:I一定时,Z越小,f越大
1.20例3:分别计算浓度为
1.0×10-2mol·kg-1
,1.0×10-3mol·kg-1和1.0×10-4mol·kg-1NaCl溶液中Na+,Cl-的活度系数及活度。
解:I=Σ0.5miZi2=0.5×0.01×12+0.5×0.01×12=0.01mol·kg-1
logf±=-0.509∣1×1∣×0.01½=-0.0509∴f±=0.89=f+=f-
aNa+=aCl-=0.89×0.01=0.0089同样可得,m=1.0×10-3mol·kg-1
即I=1.0×10-3mol·kg-1时,f±=0.96m=1.0×10-4mol·kg-1时,I=1.0×10-4mol·kg-1,f±=0.99结果表明,m越稀,I越小,
(I=1.0×10-4mol·kg-1),f
1.212Acid-BaseTheory
2-1ArrheniusDefinitionofAcidsandBasesAcidsarecompoundsthatalltheircationsinaqueoussolutionsareprotons(H+).Eg.HCl,HAc.Basesarecompoundsthatalltheiranionsinaqueoussolutionsarehydroxides(OH-).Eg.NaOH,KOH22Theacid/basestrengthcanbescaledbyionizationextent(α).Ifαofanacidequalsto100%,itiscalledstrongacid,itsionizationiscompletedanditiscalledstrongacid.Ifαofanacidismuchlessthan100%,itsionizationispartialanditiscalledweakacid.
23Theessenceofacidsandbasesreactionistheneutralizationreaction:H++OH-=H2O△rHmº=
-55.84KJ/mol
24Theheatofmixingdilutesaltsolutionsiszero.
Itcaneasilyexplainthattheheatofneutralizationreactionsofallstrongacidsandstrongbasesisequalto-55.84KJ/molandtheheatofneutralizationreactionsofallweakacidsandweakbasesislessthan55.84KJ/mol25Insum,itmaketheaqueoussolutionchemistrysystematicalandtheoretical.However,itlimitedtheconceptofacidsandbasesinaqueoussolutionsanditcannotexplainthesamekindofproblemsinnon-aqueoussolutionornon-solventsystem.262-2Bronsted-LowryDefinitionofAcidsandBasesAcidsarespeciesthatdonateaproton(H+).Basesarespeciesthatacceptaproton.Accordingtothisdefinition,acidandbasehaveconjugatedbaseandacid.Theyareconjugatedacid-basepair.Acid=Base+H+HCl=Cl-+H+NH4+=NH3+H+27CommentsAcid/Basecanbeamolecule,acationandananion.Acidandbasecanbetransformed.Acompoundthatcanactaseitheranacidorabaseiscalledamphiprotic.
Thereisnoconceptofsalts.28TheBronsted-Lowrydefinitionofacidsandbasesdoesnotencompassallchemicalcompoundsthatexhibitacidicandbasicproperties.292-3LewisAcidsandBasesALewisacidisanelectron-pairacceptor.ALewisbaseisanelectron-pairdonor.
30Lewisacid+Lewisbase=Acid-basecomplexEg.H++OH-=H2OH++NH3=NH4+Ag++2NH3=Ag(NH3)2+Cu+4NH3=Cu(NH3)42+BF3+F-=BF4-Al3++6H2O=Al(H2O)63+Ag++Cl-=AgClHCl+NH3=NH4Cl313.Acid-BaseEquilibria——TheProtonTransferinAqueousSolutionKeyissue:Calculationof[H+]323-1Theionproductforwater----KwH2O
H++OH-
rHm=55.84KJ/molKw=[H+][OH-]T
,Kw
33
Kwatdifferenttemperature
Temperature,
CKw01.153
10-15206.87
10-15221.0
10-14251.012
10-14505.31
10-1410054.95
10-14
34acidicsolution:[H+]>[OH-]neutralsolution:[H+]=[OH-]basicsolution:[H+]<[OH-]
ThepHscale:pH=-log[H+]
353-2Weak-acid/baseEquilibria
(1)TheWeak-acid/baseHAc+H2O
H3O++Ac-
rHm=-0.46KJ/molHAc
H++Ac-t0c000tec0-xxxKa=x2/(c0-x)36Ifc0/Ka>400,c0–x
c0,[H+]=
Kac0
=
Ka/c0
Astheinitialacidconcentrationdecreases,thepercentdissociationoftheacidincreases.(DilutionLaw)HAc+H2O
H3O++Ac-Asforweakbase,[OH-]==
Kbc0
37SummaryKa/Kbstandsforthedissociationextentofacid/base,Ka
,thestrengthoftheacid.Sincethe
rHmissmall,Ka/Kbchangeverylittlewiththetemperature.Themainfactorthataffectacid-baseequilibriaisconcentration.CommonIonEffectSaltEffect38Solution:[H+]=1.3
10-3M,
=1.3%[H+]=7.16
10-6M,
=71.6%(needtobecalculatedexactly)[H+]=9.0
10-6M,
=0.009%[H+]=1.9
10-3M,
=1.9%Example1:Calculatethe[H+]and
ofthefollowingsolutions:(a)0.1MHAc(b)1.0
10-5MHAc(c)AddNaAc(s)to0.1MHAc,keeping[NaAc]=0.20M(d)AddNaCl(s)to0.1MHAc,keeping[NaCl]=0.20M39(2)TheDissociationofPolyproticAcidsAcidswithmorethanoneionizableprotonarepolyproticacids.Diproticacid:H2S,H2SO3,H2CO3,H2C2O4Triproticacid:H3PO440H2S
HS-+H+Ka1=1.3
10-7HS-
S2-+H+Ka2=7.1
10-15Ka1>Ka2,Successiveaciddissociationconstantstypicallydifferbyseveralordersofmagnitude.ThisfactsimplifiespHcalculationsinvolvingpolyproticacids,
becausewecanusuallyneglecttheH+comingfromthesubsequentdissociations.41Solution:H2S
HS-+H+t00.100te0.1-x
0.1xxx=[H+]=[HS-]=
Kac0=1.14
10-4MHS-
S2-+H+t01.14
10-401.14
10-4te1.14
10-4-yy1.14
10-4+y
1.14
10-4
1.14
10-4
Ka2=y=7.1
10-15MH2O
H++OH-x+y+[OH-]
x[OH-][OH-]=Kw/x=8.8
10-11MExample2:CalculatethesaturatedH2Saqueoussolution(0.1M).42Conclusion:[H+]=
Ka1c0
433-3.HydrolysisofSaltsWhensaltsdissolveinwater,thepHofthesolutionisaffected.NaCl,NaAc,NH4Cl,NH4Ac,NaHCO344(1)NaAcAc-+H2O
HAc+OH-t0c000tec0-xxxKh=Kb=[HAc][OH-][H+]/[Ac-][H+]=Kw/Ka=5.6
10-10
x=[OH-]=
Khc0=
Kwc0/Kah=[OH-]/c0=
Kw/Kac045Solution:(a)Ac-+H2O
HAc+OH-t00.0100te0.01-x
0.01xxx=[OH-]=
Khc0=
Kwc0/Ka
=2.37
10-6M[H+]=4.23
10-9M,pH=8.37h=[OH-]/c0=0.0237%Example3:CalculatethepHandhofthefollowingsaltsolutions:0.010MNaAc(Ka=1.8
10-5)0.010MNaCN(Ka=4.93
10-10)pH=10.65,h=4.5%结论:Ka越小(酸越弱),[OH-]和h越大。46NaAc[OH-]=
Khc0=
Kwc0/Ka
Na2CO3[OH-]=
Kh1c0=
Kwc0/Ka2
NH4Cl[H+]=
Khc0=
Kwc0/Kb
NH4Ac[H+]=
KwKa/Kb
47(2)NaHCO3NaHCO3(c0)
Na+(c0)+HCO3-(
c0)Twotrends:HCO3-
H++CO32-Ka2=5.6
10-11HCO3-+H2O
OH-+H2CO3Kh2=Kw/Ka1=2.4
10-8[OH-]=[H2CO3]–[CO32-]Kw/[H+]=[H+][HCO3-]/Ka1-Ka2[HCO3-]/[H+][H+]2[HCO3-]/Ka1=Kw+Ka2[HCO3-][H+]2=Ka1(Kw+Ka2[HCO3-])/[HCO3-]
[H+]=
Ka1(Kw+Ka2c0)/c0IfKa2c0>>Kw,[H+]=
Ka1Ka2
48
Solution:(a)[H+]=
Ka1Ka2(b)[H+]=
Ka1Ka2(c)[H+]=
Ka2Ka3=1.66
10-10pH=9.78Example4:CalculatethepHof0.1Msolutions:(a)
NaHCO3(b)
NaH2PO4(c)
Na2HPO449Practice:RankthefollowingsaltsinorderofincreasingpHoftheiraqueoussolutions:(a)
KNO3,K2SO3,K2S,Fe(NO3)2(b)NH4NO3,NaHSO4,NaHCO3,Na2CO3
50(3)Thefactorsthataffectthehydrolysisofsalts:C:h=[OH-]/c0=
Kh/c0c0
,h
T:
rHm>0
T
,Kh
Applications:可通过控制溶液pH来控制水解。
Eg.SnCl2/concentratedHClKCN/KOH51
3-4
BufferSolution(1)Definition,ComponentsandPrinciple
TheCommon–IonEffectAbufferisasolutionofaconjugateacid-basepairinwhichthesecomponentsoccurinsimilarconcentrations.52HAc–Ac-
HAc
H++Ac-t0ca0csteca–x
caxcs+x
csKa=xcs/ca[H+]=x=Kaca/cspH=pKa–lgca/cs
TheHenderson–HasselbalchEquation
53CT=ca+csca/cs[H+]Add0.01molacidTheincreasedpercentof[H+]GivenV=1L,
nT=na+nsca/cs=na/ns[H+]=Kana/ns[H+]’[H+]’=Ka(na+0.01)/(ns-0.01)([H+]’-[H+])/[H+]2mol1:1Ka1.02Ka2%2mol1:100
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