水溶液中的化学反应与水体保护.ppt
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1、第第5章章 水化学与水体保护水化学与水体保护教学基本要求教学基本要求1 1溶液的通性。溶液的通性。2 2能进行溶液能进行溶液pHpH值的基本计算,能进行同离子效值的基本计算,能进行同离子效 应等离子平衡的计算,了解配离子的解离平衡应等离子平衡的计算,了解配离子的解离平衡 及平衡移动。及平衡移动。3 3初步掌握溶度积和溶解度的基本计算。了解溶初步掌握溶度积和溶解度的基本计算。了解溶 度积规则及其应用。度积规则及其应用。4 4了解环境化学中水的主要污染物及其某些处理了解环境化学中水的主要污染物及其某些处理 方法的原理。方法的原理。主要内容主要内容(一)水溶液中的单相离子平衡(一)水溶液中的单相离子
2、平衡酸和碱在水溶液中的离子平衡酸和碱在水溶液中的离子平衡配离子的解离平衡配离子的解离平衡(二)难溶电解质的多相离子平衡(二)难溶电解质的多相离子平衡多相离子平衡和溶度积多相离子平衡和溶度积溶度积规则及其应用溶度积规则及其应用(三)相平衡和非水溶液中的化学反应(三)相平衡和非水溶液中的化学反应(四)水质与水体保护(四)水质与水体保护5.1 5.1 水溶液中的单相离子平衡水溶液中的单相离子平衡 单相离子平衡可分为酸、碱的解离平衡及配离单相离子平衡可分为酸、碱的解离平衡及配离子的解离平衡两类。子的解离平衡两类。一 酸和碱在水溶液中的解离平衡酸和碱在水溶液中的解离平衡1.1.酸碱理论酸碱理论A A 电
3、离理论电离理论 由由ArrheniusArrhenius提出提出阿仑尼乌斯阿仑尼乌斯布朗斯特布朗斯特1.1.稀释定律稀释定律 一元弱电解质单组分溶质的解离,如:一元弱电解质单组分溶质的解离,如:HAcHAcH H+Ac+Ac-NHNH3 3HH2 2O ONHNH4 4+OH+OH-(1)(1)解离常数解离常数表达式:表达式:二二 弱酸弱碱的水溶液中的离子平衡及弱酸弱碱的水溶液中的离子平衡及pHpH值的计算值的计算关于解离常数关于解离常数 值越大,表明弱电解质解离程度越大。值越大,表明弱电解质解离程度越大。性质:性质:不受离子或分子浓度的影响不受离子或分子浓度的影响,受温度的影响。受温度的影响
4、。(2)(2)稀释定律稀释定律对对ABAB型弱电解质有如下关系:型弱电解质有如下关系:=(=(c cB B/c c)2 2即即:意义:意义:KiKa稀释定律的使用条件:稀释定律的使用条件:溶质为一元弱电解质;溶质为一元弱电解质;c/c/Ki500500(1-1-11););无同离子效应体系(单组分溶质)。无同离子效应体系(单组分溶质)。(3)(3)水水也是一元弱电解质,其平衡常数:也是一元弱电解质,其平衡常数:=c c(H(H+)/)/c cc c(OH(OH-)/)/c c 定义:定义:表示溶液的酸度。也可以用表示溶液的酸度。也可以用pOHpOH:pOH=-lgpOH=-lgc c(OH(O
5、H-)/)/c c pH=-lgpH=-lgc c(H(H+)/)/c c Kw 由于中性溶液中由于中性溶液中c c(H(H+)=10)=10-7-7molmol.KgKg-1-1,即即pH=7pH=7。所以。所以pH+pOH=14pH+pOH=14。pH7pH7为酸性。为酸性。2.2.多元弱电解质的解离平衡多元弱电解质的解离平衡(1)(1)分级解离分级解离 解离常数亦分级,如:解离常数亦分级,如:H H2 2S SH H+HS+HS-K1=9.110=9.110-8-8HSHS-H H+S+S2-2-K2=1.110=1.110-12-12H H2 2S S2H2H+S+S2-2-Ka=?=
6、?根据多重平衡规则:根据多重平衡规则:Ka=K1.K2=1.010=1.010-19-19其表达式:其表达式:Ka注意:注意:溶液中并无此平衡溶液中并无此平衡:H H2 2S S2H2H+S+S2-2-所以所以 c c(H(H+)2)2c c(S(S2-2-)2 2 讨论讨论:HH2 2S S饱和溶液中饱和溶液中,c c(H(H2 2S)=0.1molkgS)=0.1molkg-1-1;(单纯单纯H H2 2S S溶液中溶液中)H H+主要来自一级解离主要来自一级解离,可可 用稀释定律处理用稀释定律处理;S S2-2-主要来自二级解离主要来自二级解离,b b(S(S2-2-)/)/b bK23
7、.3.同离子效应同离子效应 多组分溶质系统中,易溶强电解质对弱电解质解离多组分溶质系统中,易溶强电解质对弱电解质解离平衡的影响,实质是解离平衡的移动。平衡的影响,实质是解离平衡的移动。HAcH+Ac-NaAcNa+Ac-可见:可见:在弱电解质溶液中,加入具有同名离子的强在弱电解质溶液中,加入具有同名离子的强电解质,则弱电解质的电解质,则弱电解质的解离度降低解离度降低同离子效应。同离子效应。同离子效应可进行定量计算。前例即同离子效应问同离子效应可进行定量计算。前例即同离子效应问题。题。4.4.缓冲溶液缓冲溶液溶液的溶液的pHpH值在一定范围内不受外来少量强酸、碱的值在一定范围内不受外来少量强酸、
8、碱的影响,这种溶液称缓冲溶液影响,这种溶液称缓冲溶液(1)(1)组成:组成:弱酸弱酸+弱酸盐弱酸盐 或或 弱碱弱碱+弱碱盐弱碱盐 HAcHAc+NaAcNaAc HAcHAc+NHNH4 4AcAcNaHNaH2 2POPO4 4+NaNa2 2HPOHPO4 4NaHCONaHCO3 3+NaNa2 2COCO3 3NHNH3 3HH2 2O O+NHNH4 4ClCl(2)(2)机理:机理:以以HAcNaAcHAcNaAc缓冲对为例缓冲对为例(定性定性):):HAcH+Ac-+H+HAcH+Ac-+OH-H2O可见可见,AcAc-是抗酸因素,是抗酸因素,HAcHAc是抗碱因素。是抗碱因素。
9、缓冲作用是有限的,当外加强酸、碱缓冲作用是有限的,当外加强酸、碱过量时过量时,会失去缓冲作用会失去缓冲作用。(3)(3)定量计算:定量计算:弱酸弱酸-弱酸盐弱酸盐弱碱弱碱-弱碱盐弱碱盐例题:例题:向向100g100g浓度为浓度为0.1mol0.1mol.kgkg-1-1的的HAcHAc和和0.1mol0.1mol.KgKg-1-1NaAcNaAc混合溶液中加入混合溶液中加入1.0g1.0mol1.0g1.0mol.kgkg-1-1的的HCl,HCl,求此溶液的求此溶液的pHpH值。值。已知:已知:Ka a=1.7610=1.7610-5-5。解:解:c c(HClHCl)=0.01mol.kg
10、-1;=0.01mol.kg-1;c c(酸酸)=0.11mol)=0.11mol.kgkg-1;-1;c c(盐盐)=0.09mol)=0.09mol.kgkg-1-1代入式代入式:pH=-lg(1.7610:pH=-lg(1.7610-5-5)-lg(0.11/0.09)-lg(0.11/0.09)=4.75-0.087=4.66 =4.75-0.087=4.66 答答:此溶液此溶液pH=4.66pH=4.66。5、pH的测定的测定测定含有弱酸或弱碱溶液的测定含有弱酸或弱碱溶液的PH值不能用酸值不能用酸碱中和滴定的方法。因为中和滴定的方法碱中和滴定的方法。因为中和滴定的方法只能测定酸或碱的
11、总浓度,而不能测定解只能测定酸或碱的总浓度,而不能测定解离出来的离出来的H”或或OH-的浓度。测定的浓度。测定pH值最简值最简单方法是使用单方法是使用pH试纸。试纸。pH试纸试纸是用滤纸是用滤纸浸渍某种混合指示剂制成的。市售的浸渍某种混合指示剂制成的。市售的pH试试纸有纸有“广范广范pH试纸试纸”和和“精密精密pH试纸试纸”两类。两类。广范广范pH试纸试纸可用来粗略检测溶液可用来粗略检测溶液pH值;值;精密精密pH试纸试纸在在pH值变化较小时就值变化较小时就有颜色变化,它可用来较精密地检测溶液有颜色变化,它可用来较精密地检测溶液的的pH值。值。在具体测量时,可将一小块试纸放在点滴在具体测量时,
12、可将一小块试纸放在点滴板上或用手捏住,再用沾有待测溶液的玻板上或用手捏住,再用沾有待测溶液的玻璃棒点湿试纸的中部,则试纸因被待测溶璃棒点湿试纸的中部,则试纸因被待测溶液润湿而变色。将其与标准比色卡比较,液润湿而变色。将其与标准比色卡比较,即得出即得出pH值。一般待测液湿润试纸后半秒值。一般待测液湿润试纸后半秒钟内就能与指示剂发生反应,故应及时观钟内就能与指示剂发生反应,故应及时观察试纸颜色,如果观察时间过迟,试纸可察试纸颜色,如果观察时间过迟,试纸可能因吸收空气中的能因吸收空气中的CO2等而使颜色变化,等而使颜色变化,造成测定误差。造成测定误差。比较精确地测定比较精确地测定pH值的方法是使用值
13、的方法是使用pH计。计。目前一般目前一般pH计测到的计测到的pH值精度可达小数值精度可达小数点后二位估计的;精密的点后二位估计的;精密的pH计测到的计测到的PH值精度达小数点后三位,即百分位是可值精度达小数点后三位,即百分位是可靠的,千分位是估计的。靠的,千分位是估计的。用用pH计测定溶液的计测定溶液的pH值时,必须首先使值时,必须首先使用已知用已知pH值的标准缓冲溶液作为基准来值的标准缓冲溶液作为基准来定位。一般采用邻苯二甲酸氢钾、磷酸定位。一般采用邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾和磷酸氢二钠、硼砂三种标准溶二氢钾和磷酸氢二钠、硼砂三种标准溶液来定位。液来定位。5.2 5.2 难溶电解质的多相离子
14、平衡难溶电解质的多相离子平衡 酸酸、碱碱、盐盐按按其其溶溶解解度度大大小小可可分分为为易易溶溶和和难难溶溶两两类类。难难溶溶电电解解在在水水溶溶液液中中以以固固体体沉沉淀淀的的形形式式存存在在。在在化化学学清清洗洗中中常常使使沉沉淀淀溶溶解解,在在化化学学沉沉淀淀法法处处理理污污水水时时又又要要把把可可溶溶性性有有害害物物质质以以沉沉淀淀形形式式除除去去。那那么么,沉沉淀淀的的溶溶解解和和生生成成有有无无定定量量规规律律可可循循?在在难难溶溶强强电电解解质质饱饱和和溶溶液液中中存存在在着多相离子平衡:着多相离子平衡:沉积沉积Ag+Cl-溶解溶解AgCl(s)溶度积常数和溶解度溶度积常数和溶解度
15、1.溶解度溶解度 物质的溶解度物质的溶解度(solubility)是指在一定温度和压力下,固是指在一定温度和压力下,固液达到平衡状态时,饱和溶液里的物质浓度。常表示为液达到平衡状态时,饱和溶液里的物质浓度。常表示为 gdm-3 或或 mol/dm-3。2.溶度积溶度积对通式对通式溶解与沉淀过程溶解与沉淀过程溶解溶解沉淀沉淀Question Question 1溶度积和溶解度之间有什么关系?溶度积和溶解度之间有什么关系?Solution 与溶解度概念应用范围不同,与溶解度概念应用范围不同,只用来表示难溶电解只用来表示难溶电解 质的溶解度。质的溶解度。不受离子浓度的影响,而溶解度则不同。不受离子浓
16、度的影响,而溶解度则不同。用用 比较难溶电解质的溶解性能只能在相同类型化合比较难溶电解质的溶解性能只能在相同类型化合 物之间进行,溶解度则比较直观。物之间进行,溶解度则比较直观。Question Question 2 298K时铬酸银时铬酸银Ag2CrO4的溶度积常数的溶度积常数为为2.010-12,求该温度下的溶解度。,求该温度下的溶解度。Solution 设设饱饱和和溶溶液液中中 离离子子的的浓浓度度x moldm-3,则则代代入溶度积常数表达式得:入溶度积常数表达式得:(Ag2CrO4)=c(Ag+)/moldm-32c()/moldm-3 =(2x)2x=4x3 x/moldm-3=溶
17、溶液液中中 离离子子的的浓浓度度为为7.910-5 moldm-3,也也是是Ag2CrO4以以moldm-3为单位的溶解度。为单位的溶解度。Question Question 3 AgCl 和和 Ag2CrO4的溶度积分别为的溶度积分别为 1.810-10 和和 1.1 10-12,则下面叙述中正,则下面叙述中正确的是:确的是:(A)AgCl与与Ag2CrO4的溶的溶解解度相等度相等 (B)AgCl的溶解度大于的溶解度大于Ag2CrO4 (C)二者类型不同,不能由二者类型不同,不能由 大小直接判断溶解度大小大小直接判断溶解度大小Solution分子式分子式溶度积溶度积溶解度溶解度/AgBr A
18、gIAgClmol dm-3-31.810-10 Ag2CrO41.310-55.010-137.110-78.310-179.110-101.110-126.510-51.1.多相离子平衡和溶度积多相离子平衡和溶度积AgClAgCl(s)(s)AgAg+Cl+Cl-其平衡常数:其平衡常数:K KS S(AgCl)=(AgCl)=c c(Ag(Ag+)/)/c cc c(Cl(Cl-)/)/c c 此时,饱和溶液中此时,饱和溶液中AgClAgCl的的浓度浓度即为其即为其溶解度溶解度:c c(AgCl)=(AgCl)=S S(AgCl)=(AgCl)=c c(Ag(Ag+)=)=c c(Cl(C
19、l-)难溶强电解质的难溶强电解质的构型构型不同,不同,KS表达式表达式也不也不同。同。KS S(Ag(Ag2 2S S)=c c(Ag(Ag+)/)/b b 2 2c c(S(S2-2-)/)/c c KS SCaCa3 3(PO(PO4 4)2 2=c c(Ca(Ca2+2+)/)/b b 3 3c c(PO(PO4 43-3-)/)/c c 2 2KS S的的意义意义:KS S值与值与A Am mB Bn n溶解度大小密切相关;溶解度大小密切相关;KS S的的性质性质:KS值与离子浓度无关值与离子浓度无关,受温度影响。受温度影响。对对ABAB型:型:KS S=S S 2 2(c c)-2-
20、2 对对A A2 2B B(ABAB2 2)型:)型:KS S=4=4S S 3 3(c c)-3-3 对对A A3 3B B型:型:KS S=27=27S S4 4(c c)-4-4 (T)=-RTln(T)=-RTlnK,其,其K即即KS S。因此可以从热。因此可以从热力学计算力学计算KS S注意:注意:水合离子的参考态:水合离子的参考态:f fHm m(H(H+)=0;)=0;f fGm m(H(H+)=0;)=0;Sm m(H(H+)=0)=0K KS S按按Gm m与与S S可以相互换算:可以相互换算:解:解:对于对于AgAg2 2CrOCrO4 4,KS=4=4S S 3 3(c
21、c)-3-3,所以其溶解度为:所以其溶解度为:S S(Ag(Ag2 2CrOCrO4 4)=(1.1210=(1.1210-12-12/4)/4)1/3 1/3 c c(Ag(Ag2 2CrOCrO4 4)=6.5410=6.5410-5-5molmol.kgkg-1-1例如:例如:2525时时AgAg2 2CrOCrO4 4的的KS=1.1210=1.1210-12-12 求它在水中的溶解度。求它在水中的溶解度。解:解:多相离子平衡多相离子平衡 AgClAgCl(s)(s)AgAg+Cl+Cl-f fG GmBmB/kJ/kJ.molmol-1-1-109.789 77.107 -131.2
22、28-109.789 77.107 -131.228 r rGm m=55.67 kJ=55.67 kJ.molmol-1-1 lnlnK=-22.458=-22.458 K=1.7610=1.7610-10-10例题例题:根据热力学原理计算根据热力学原理计算AgClAgCl的溶度积的溶度积2.2.溶度积规则及其应用溶度积规则及其应用(1)(1)溶度积规则溶度积规则对于对于AgClAgCl饱和溶液:饱和溶液:KS(AgCl)(AgCl)=c ceqeq(Ag(Ag+)/)/c cc ceqeq(Cl(Cl-)/)/c c 而而,对于非饱和溶液:对于非饱和溶液:Q=Q=B B(b bB B/b
23、b)B B =c c(Ag(Ag+)/)/c cc c(Cl(Cl-)/)/c c 因此可以根据因此可以根据KS(溶度积溶度积)和和Q=Q=B B(离子积离子积)的相对大小确定溶液是否处于饱和状态。的相对大小确定溶液是否处于饱和状态。B B(c cB B/c c)B B=KS 溶液饱和,溶液饱和,无沉淀;无沉淀;B B(c cB B/c c)B B KS 溶液过饱和,溶液过饱和,有沉淀析出。有沉淀析出。据此三条判断沉淀的析出和溶解据此三条判断沉淀的析出和溶解,称称溶度积规则溶度积规则。例如:例如:CaCO3(s)Ca2+CO32-HCl+HCO3-即:即:B B(c cB B/c c)B B
24、KS又如:又如:Mg(OH)2(s)Mg 2+2OH-2NH4Cl+2NH3.H2O即:即:B B(c cB B/c c)B B KSFe(OH)Fe(OH)3 3 答答:有有Fe(OH)Fe(OH)3 3沉淀生成。沉淀生成。近似处理近似处理,有有:1.0 x/0.1=1.710:1.0 x/0.1=1.710-5-5 x=1.710 x=1.710-6-6B B(c cB B/c c)B B =5.010=5.010-2-2(1.710(1.710-6-6)3 3 =2.510=2.510-19-19(2)(2)同离子效应同离子效应同离子效应:同离子效应:在难溶强电解质饱和溶液在难溶强电解质
25、饱和溶液中加入具有同名离子的易溶电解质时,中加入具有同名离子的易溶电解质时,难溶电解质溶解度下降。难溶电解质溶解度下降。CaCO3(s)Ca2+CO32-Na2CO32Na+CO32-此即:此即:B B(b bB B/b b)B B KS同离子效应同离子效应可以进行定量计算。可以进行定量计算。解解:在水中在水中 KSMg(OH)Mg(OH)2 2=b b(Mg(Mg2+2+).b b(OH(OH-)2.2.(b b)-3-3 1.2101.210-11-11=4=4S S 3 3(b b)-3-3 S SMg(OH)Mg(OH)2 2=1.4101.410-4-4 molmol.kgkg-1-
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- 水溶液 中的 化学反应 水体 保护
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