酸堿平衡和酸堿滴定法.doc

Chap3 酸堿平衡和酸堿滴定法34酸堿緩沖溶液教案首頁(yè)Chap3 授課內(nèi)容授課對(duì)象學(xué)時(shí)安排酸堿平衡和酸堿滴定法34酸堿緩沖溶液化學(xué)本科(0501)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的1、理解緩沖溶液的概念和作用原理；2、掌握緩沖溶液pH值的計(jì)算；3、理解緩沖指數(shù)、緩沖容量和緩沖范圍；4、掌握緩沖溶液選擇的原則；5、了解標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液。教學(xué)內(nèi)容1、緩沖溶液的定義、組成及分類(lèi)2、緩沖溶液的作用原理3、緩沖溶液pH值的計(jì)算4、緩沖指數(shù)、緩沖容量、緩沖范圍5、緩沖溶液的選擇6、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液教學(xué)重點(diǎn)1、緩沖溶液的作用原理2、緩沖溶液的pH值的計(jì)算3、緩沖溶液的選擇教學(xué)難點(diǎn)緩沖指數(shù)、緩沖容量教學(xué)方法采用課堂講授、舉例與討論相結(jié)合的教學(xué)方法作 業(yè)習(xí)題： 5、6、7、8、9、10、11、12 教 材分析化學(xué)武漢大學(xué)（第四版）參考書(shū)北京師范大學(xué)等四大師大主編，分析化學(xué)，高等教育出版社內(nèi)容：導(dǎo)入：坐汽車(chē)，在汽車(chē)突然加速、減速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性，為防止慣性，要系安全帶，安全帶起的是緩沖作用，由此，我們想緩沖溶液的意義，應(yīng)是具有緩沖作用的溶液，那么，安全帶是用來(lái)緩沖慣性，緩沖溶液則是用來(lái)緩沖pH值的。我們知道，一般的溶液，酸性的，堿性的，或兩性的，向其中加入少量的酸或堿后，PH 值就會(huì)減小或增大，而往緩沖液中加入少量酸或堿，溶液的PH 值不會(huì)發(fā)生顯著變化。一、 概念1、緩沖溶液(buffer solution)：能減緩因外加強(qiáng)酸或強(qiáng)堿以及稀釋而引起的pH急劇變化的溶液。解釋?zhuān)簆 H 值不因加入少量酸或少量堿以及稍加稀釋而發(fā)生顯著變化。通常有以下三種情況：(1) 向溶液中加入少量的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿；(2) 溶液中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生少量的酸或堿；(3) 溶液稍加稀釋。2、緩沖溶液的組成：(1) 共軛酸堿對(duì)(如:濃度較大的弱酸及其共軛堿，HAc-Ac；濃度較大的弱堿及其共軛酸，NH3NH4)；(2) 強(qiáng)酸（pH12）；(3) 兩性物質(zhì)。3、分類(lèi)（按用途）：(1) 一般酸堿緩沖溶液（用于控制溶液的pH值）；(2) 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（校正pH計(jì)用）。二、 緩沖溶液的作用原理1、以HAc-NaAc為例，說(shuō)明其作用原理HAc-NaAc緩沖溶液中，存在下列平衡：(1) NaAcNa+Ac- ，(2) HAcH+Ac-加入少量酸，則引入的H+Ac-HAc；加入少量堿，則引入的OH-+H+H20，可見(jiàn)pH值基本不變。2、以NH3-NH4Cl為例，說(shuō)明其作用原理NH3-NH4Cl緩沖溶液中，存在下列平衡：(1) NH3+ H20NH4+OH- ，(2) NH4ClNH4+ Cl-加入少量酸，則H+OH-H20；加入少量堿，則OH-+NH4+ NH3H20，可見(jiàn)pH值基本不變。三、 緩沖溶液pH值的計(jì)算以HA-A-為例，計(jì)算cHAmolL-1HA+cA-molL-1A-緩沖體系的pH值：物料平衡：Na+=cA- HA+A-=cHA+cA-電荷平衡：Na+H+=A-+OH-代入得，cA-+H+=A-+OH-，即：A-=cA-+H+-OH-將代入得，HA=cHA+cA-A-=cHA-H+OH-得，得，作為控制酸度的緩沖溶液，因?yàn)榫彌_劑本身的濃度大，對(duì)計(jì)算結(jié)果也不要求準(zhǔn)確，可用近似的方法計(jì)算：eg1.求0.10molL-1HAc和0.20molL-1Ac-緩沖溶液的pH值。提示 直接用公式： eg2.求0.10molL-1 NH4+和0.20molL-1 NH3H20緩沖溶液的pH值。提示 直接用公式：eg3. 0.30molL-1 吡啶（C5H5N）和0.10molL-1 HCl等體積混合，是否為緩沖溶液，求其pH值。提示 判斷是否組成緩沖溶液，實(shí)際是判斷是否生成共軛酸堿對(duì)，吡啶為有機(jī)弱堿，0.30molL-1 吡啶（C5H5N）和0.10molL-1 HCl等體積混合，生成吡啶鹽酸鹽和過(guò)量的吡啶，二者是共軛酸堿對(duì)，因此能組成緩沖溶液。直接用公式：注意：等體積反應(yīng)濃度減半。eg4. 欲使100mL0.10molL-1HCl溶液的pH值從1.00增大至4.44，需加入固N(yùn)aAc多少克。提示 設(shè)需加入固N(yùn)aAc m克。 eg5. 今有某弱酸HB及其鹽配制緩沖溶液，其中HB的濃度為0.25molL-1。于此100mL緩沖溶液中加入200mgNaOH（忽略溶液體積變化），所得溶液的pH值為5.60。問(wèn)原來(lái)所配制的緩沖溶液的pH值為多少？（設(shè)HB的Ka=5.010-6）提示 關(guān)鍵：求原溶液中的cB-。由 求得原溶液中的cB-。四、 緩沖指數(shù)、緩沖容量及緩沖范圍導(dǎo)入：以上節(jié)課的導(dǎo)出作為導(dǎo)入。前面講過(guò)，當(dāng)向緩沖溶液中加入少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿或?qū)⑷芤荷约酉♂寱r(shí)，溶液的pH值基本保持不變。但是，如果繼續(xù)加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，比如無(wú)限度地加入大量的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，緩沖溶液對(duì)酸或堿的抵抗能力就要減弱，甚至失去緩沖作用。就是說(shuō)，緩沖溶液的緩沖作用都是有一定的限度的，每一種緩沖溶液只能加入有限量的酸或堿，才能保持溶液的pH值不變。所以每一種緩沖溶液只具有一定的緩沖能力，緩沖指數(shù)和緩沖容量是衡量緩沖溶液緩沖能力大小的尺度。1、緩沖指數(shù)(buffer index)定義： dc加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的無(wú)窮小量；dpHpH的無(wú)窮小量。其物理意義：相關(guān)酸堿組分分布線(xiàn)的斜率，具有加和性。加和性：結(jié)論：b與緩沖溶液的總濃度cHA和組分比（共軛酸堿對(duì)的分布分?jǐn)?shù)）有關(guān)：緩沖溶液分析濃度越大, b越大；總濃度一定時(shí)，組分比越接近1：1，緩沖指數(shù)越大；并且，當(dāng)組分比等于1（即cHA=cA-）時(shí)，b有極值，緩沖溶液的緩沖能力最大，此時(shí)，pH=pKa。2、緩沖容量(buffer capacity)定義： =c=pH=（2 A- 1A-）cHA 緩沖容量；c外加強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的量；pH區(qū)間緩沖溶液所具有的平均緩沖指數(shù)；pH因c而發(fā)生的pH值的變化；2 A- 終態(tài)pH值（即pH2）時(shí)A-的分布分?jǐn)?shù)；1 A- 初態(tài)pH值（即pH1）時(shí)A-的分布分?jǐn)?shù)；cHAHA的總濃度（分析濃度）。其物理意義：某緩沖溶液因外加強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的量為c而發(fā)生pH的變化的幅度為pH。結(jié)論：影響的因素為緩沖溶液的總濃度cHA和組分比（共軛酸堿對(duì)的分布分?jǐn)?shù)）：緩沖溶液分析濃度越大, 越大；總濃度一定時(shí)，組分比越接近1：1，緩沖容量越大；并且，當(dāng)組分比等于1（即cHA=cA-）時(shí)，有極值，緩沖溶液的緩沖能力最大；此時(shí)，pH=pKa。與緩沖指數(shù)相一致。3、緩沖范圍pKa1緩沖范圍是指緩沖溶液起有效緩沖作用的有效pH值范圍。eg. HAc-Ac-緩沖溶液其pKa=4.74，那么，我們配制緩沖溶液時(shí)，要使其pH值在3.745.74范圍內(nèi)。例如，前面計(jì)算緩沖溶液的pH值時(shí)，eg1. eg2. eg3.的pH值均在其有效緩沖范圍之內(nèi)：緩沖體系 pKa 有效緩沖范圍 緩沖溶液的pH值eg1. HAc-Ac- 4.74 3.745.74 5.04eg2. NH3H2O-NH4+ 9.26 8.2610.26 9.56eg3. C5H5N-C5H5NH+ 5.23 4.236.23 5.53又如 HF-F- 3.18 2.184.18H2PO4-HPO42- 7.20(pKa2) 6.208.20以0.10molL-1HAc-Ac緩沖溶液為例，可繪制出其-pH曲線(xiàn)，如圖所示： 圖中，實(shí)線(xiàn)為0.10molL-1HAc-Ac-溶液在不同pH值時(shí)的緩沖指數(shù)，虛線(xiàn)表示強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液的緩沖指數(shù)，陰影部分表示在pH46時(shí)，HAc-Ac-緩沖體系所具有的緩沖容量。從-pH曲線(xiàn)上，可得到以下下結(jié)論： (1) 曲線(xiàn)兩側(cè)很高，說(shuō)明一定濃度的強(qiáng)酸在pH12時(shí)具有較大的緩沖容量。若反應(yīng)要求溶液的酸度控制在pH02，或pH1214的范圍內(nèi)，則可用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿控制其酸度；(2) 在pH=pKa1的范圍內(nèi)，緩沖溶液具有較大的緩沖容量，此范圍即為有效緩沖范圍，在此范圍內(nèi)，pH離pKa點(diǎn)愈遠(yuǎn)，愈小，并且，當(dāng)pH=pKa時(shí)，具有最大值，緩沖溶液的緩沖能力達(dá)到最大；超出此范圍，緩沖能力將顯著下降。從緩沖組分的分布分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)來(lái)討論緩沖容量的概念更為方便和直觀。見(jiàn)教材P61圖2-6。五、如何選擇緩沖溶液1、 關(guān)鍵：使欲控制的pH值落在緩沖溶液的緩沖范圍之內(nèi)（盡量與緩沖溶液的pKa接近）；選時(shí)，先查出緩沖溶液中弱酸的pka，算出pka，得到緩沖范圍，再看欲控制的溶液的p值能落在哪個(gè)弱酸的pka1內(nèi)，就以這一個(gè)弱酸及其共軛堿組成的緩沖溶液來(lái)控制p。2、加入的緩沖溶液應(yīng)不干擾測(cè)定，尤其對(duì)待測(cè)組分無(wú)干擾；3、緩沖溶液應(yīng)有足夠的緩沖容量；4、緩沖物質(zhì)應(yīng)廉價(jià)易得，避免污染。教材P322附錄表5列出了常用的緩沖溶液。六、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液還有一種緩沖溶液叫標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液,標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液是用來(lái)校正pH計(jì)的，其pH值，一般由精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)得。如果要以理論計(jì)算加以核對(duì),須考慮活度，所以涉及到活度系數(shù)，進(jìn)一步涉及到離子強(qiáng)度。最常用的幾種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液列舉如下：pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液 pH值(25 )1. 飽和酒石酸氫鉀 0.034 molL-1 3.562. 0.05molL-1 鄰苯二甲酸氫鉀 4.013. 0.25L-1 KH2PO4 0.025molL-1 Na2HPO4 6.864. 0.01molL-1 硼砂 9.18導(dǎo)出：我們將要做自來(lái)水總硬度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中我們要控制溶液pH值為10，請(qǐng)問(wèn)：應(yīng)選擇何種緩沖溶液？查P319表，pka在10左右的挺多的，但NH4+最易得到，其pka9.26，選NH4+及其共軛堿的溶液,即NH3-NH4Cl溶液為緩沖溶液。如果緩沖指數(shù)和緩沖容量學(xué)生不好接受，可以將二者合并講：