5.1弱酸弱碱溶液
在化学历程中,酸碱性的控制是每个化学反应都无法回避的问题
水溶液的酸碱性是酸碱性控制的核心内容之一
人体质量的70%是水,人体的反应都是水的弱酸弱碱反应
5.1.1 三种酸碱理论
5.1.1.1酸碱电离理论
此理论是阿伦尼乌斯建立的,就是前面我们讲化学反应速率时候的那个阿伦尼乌斯,阿伦尼乌斯是瑞典最伟大的化学家,并且以此获得了1903年的诺贝尔化学奖(还记得1903年诺贝尔物理奖是谁的吗?).酸碱电离理论在中学化学里重点讲过,其重点就是:能电离出氢离子的是酸,电离出的氢氧根离子的是碱。
5.1.1.2酸碱质子理论
凡能给出质子的物质(proton donor)都是酸;凡能结合质子的物质(proton acceptor)都是碱。(这里的质子就是氢离子)
如:HCl、H2SO4、HSO4–、HNO3 、H3PO4、H2PO4–、 HPO42–、NH4 、NH3、H2CO3、HCO3–、H2S、HS–、H2O
凡能结合质子的物质(proton acceptor)都是碱。
如:Cl–、HSO4–、 SO42–、 NO3– 、 H2PO4–、 HPO42–、 PO43–、 NH3、 NH2–、 HCO3–、 CO32– 、 HS–、 S2–、 OH–
既能给出质子显酸性又能接受质子显碱性的物质称为两性物质(ampholyte) 。
如:HSO4–、H2PO4–、 HPO42–、NH3、HCO3–、HS–
酸碱质子理论能更好地解释了碱的定义。比如:氢氧化镁是电离不出氢氧根离子的,但氢氧化镁可以结合氢离子,所以,根据酸碱质子理论,氢氧化镁就是碱。
酸碱质子理论中的酸碱
酸、碱可以是分子,也可以是离子。酸给出质子后可以再结合质子,因此酸给出质子后就变为碱
酸碱质子理论的酸碱是共生共存相互转化的
酸与对应的碱的这种相互依存、相互转化的关系称为酸碱共轭关系。酸失去一个质子后形成的碱被称为该酸的共轭碱;碱结合该质子后形成的酸被称为该碱的共轭酸。共轭酸与它的共轭碱一起称为共轭酸碱对。
5.1.1.3酸碱电子理论
凡能接受电子对的物质是酸,凡能给出电子对的物质是碱,也称为路易斯(Lewis)酸碱理论。这种理论在第二章中配合物中提到过。
H ׃OH = H2O
酸 碱 = 酸碱加合物
配合物最基本的理论就是酸碱电子理论
酸碱电子理论摆脱了酸必须含有质子H的限制,包括的范围更广。
比如:根据酸碱电离理论和酸碱质子理论,三氧化硫不是酸碱,但三氧化硫可以接受氨气中的氮元素的孤对电子,可以生成硫酸铵,根据酸碱电离理论,三氧化硫就是酸,这种酸叫做路易斯酸。根据酸碱电子理论,能形成配合物的中心原子和离子都是路易斯酸。
5.1.2pH值的提出:
关于pH值的定义,在第二章液体时提到过,现在我们再重复一遍
1909年索伦森(Sorensen,本节的封面人物)提出pH值的概念:
pH=-lg[c(H ) /cө]
pOH=-lg[c(OH-) /cө]
在298.15K时,pH pOH=14
pH的范围一般在1-14之间,在酸/碱度为极大或者极小时,其范围也会为0或者负数
溶液pH值的测试包括pH试纸、 pH计(酸度计)
溶液的酸度(H 离子浓度)常用pH值表示, pH = –lgc(H /cө), 溶液的碱度(OHˉ离子浓度)可用pOH表示。
酸碱的范围不止在1-14之间
例1:人体的胃酸中含有大约含量为0.2%~0.4%盐酸,试计算胃酸大致的pH范围。(胃酸密度设定为1kg•L-1,并且不含其它酸性物质)
解:1L胃酸中含有2-4g盐酸,
c(H )=c(HCl)=2~4/36.5=0.055~0.11(mol•L-1)
pH=-lg[c(H ) /cө]=-lg(0.055)~-lg(0.11)=1.26~0.96
这种pH的计算,首先要计算氢离子浓度,就根据其定义进行计算。
例2:将pH=2.00和pH=4.00的强酸1:1混合,求混合后的pH值,体积比1:5/1:10比例混合呢(忽略体积变化)
解:pH=2,c(H )=1.0×10-2mol•L-1
pH=4,c(H )=1.0×10-4mol•L-1
1:1混合后,c(H )={1.0×10-2 1.0×10-4}/2=5.05×10-3mol•L-1
pH=-lg[c(H ) /cө]=3-lg5.05=2.30(可不是pH值的算术平均值噢)
1:5混合后c(H )={1×1.0×10-2 5×1.0×10-4}/(1 5)=1.75×10-3mol•L-1
pH=-lg[c(H ) /cө]=3-lg1.75=2.76
1:10混合后c(H )={1×1.0×10-2 10×1.0×10-4}/(1 10)=1×10-3mol•L-1
pH=-lg[c(H ) /cө]= 3.00
这种酸碱计算中,万变不离其宗,先计算氢离子浓度,再计算pH值
例3:将pH=2.00的强酸和pH=11.00的强碱1:1混合,计算混合后的pH值
解:pH=2,c(H )=1.00×10-2mol•L-1
pH=11,c(H )=1.00×10-11mol•L-1
c(OH-)=1.00×10-3mol•L-1
混合后,H OH- =H2O中和后剩余的H /OH- 才用于计算pH值
c(H )=[c(H )-c(OH-)]/(1 1)=4.5*10-3mol•L-1
pH=-lg[c(H ) /cө]= 3-lg4.5=2.76
如果是pH=3.00的强酸和pH=12.00的强碱等体积混合,其pH值是多少(答案见文后评论)
先计算中和量,再计算剩余酸碱的pH值
下一节我们讲弱酸弱碱的酸碱解离平衡
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