《酸碱化学》PPT课件

《《酸碱化学》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《酸碱化学》PPT课件（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、单击此处编辑母版标题样式,,,*,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,水 环 境 化 学,,Environmental Chemistry of Water,,4.1. 酸碱化学基础,4.2. 平衡计算,第四章. 酸碱化学,4.4.,pH,缓冲溶液和缓冲强度,4.5. 碳酸盐系统,4.6. 酸碱化学在水处理中的应用,4.7. 全球碳循环,,概述,天然水中酸碱化学现象无处不在。,,如水把矿物质溶解出来，常使水呈碱性；,,水中的CO,3,2-,、HCO,3,-,等离子对天然水起到缓冲作用；酸雨使缓冲能力较弱的水体呈酸性；,,水中金属离子含量在很大程度上受水的酸碱性控

2、制，酸性条件下，金属离子易溶解，碱性条件下易形成金属氢氧化物或氧化物沉淀，但碱性太高，沉淀又可能配离子形式溶解；,,酸性条件下CN,-,、S,2-,对鱼类的毒性比在碱性条件下大，而NH,4,+则比NH,3,毒性小；,,工业废水pH值在之间排放，才不会对水生物造成危害，灌溉水pH应在之间，才不会对作物造成危害。,,酸：能给出质子H+的分子或离子,,碱：能接受质子H+的分子或离子,,两性物质：既能给出质子，又能结合质子的物质,酸碱质子理论,共轭酸碱,4.1. 酸碱化学基础,酸：,碱：,,、质子转移关系式,,酸碱进入水体后便有质子转移，平衡时，质子得失相等。,4.2. 平衡计算,M、n：得失质子数；

3、,,[PG]、[PL]：得失质子的物种,例：将弱酸HA加入水中，写出质子转移关系式。,H,+,,HA H,2,O,,A,-,OH,-,得质子物种：,参比物种：,失质子物种：,[H,+,]=[A,-,]+[OH,-,],得=失：,,M、n：得失质子数；,,[PG]、[PL]：得失质子的物种,例：将H,3,PO,4,加入水中，写出质子转移关系式。,H,3,PO,4,H,2,O,H,2,PO,-,4,、HPO,2-,4,、PO,3-,4,OH,-,H,+,[H,+,]=[H,2,PO,-,4,]+2[HPO,2-,4,]+3[PO,3-,4,]+[OH,-,],质子转移关系式和电荷平衡关系

4、式常可以互推，应用时二者选一即可。,,例：有H,2,SO,4,进入某水体，使该水体成为10,-3,mol.L,-1,的H,2,SO,4,溶液，求平衡时溶液的pH值以及各组分的浓度。忽略水体缓冲能力、温度、离子强度的影响。,解：水中组分：H,+,、OH,-,、H,2,SO,4,、HSO,4,-,、SO,2-,4,，需列5个方程：,,质量平衡： C,T,=[H,2,SO,4,]+[HSO,4,-,]+[SO,2-,4,]=10,-3,,水的离子积： Kw=[H,+,][OH,-,],,化学平衡,（K,a,可查表）：,H,2,SO,4,=H,+,+HSO,4,-,,,K,a1,=[H,+,][HSO

5、,4,-,]/[H,2,SO,4,]=10,3,,HSO,4,-,=H,+,+SO,2-,4,,K,a2,=[H,+,][SO,2-,4,]/[HSO,4,-,]=10,-2,,质子平衡：,H,2,SO,4,H,2,O,HSO,-,4,、SO,2-,4,OH,-,H,+,[H,+,]=[HSO,-,4,]+2[SO,2-,4,]+[OH,-,],联立上述5个方程得：,,[H,+,]=1.84*10,-3,mol.L,-1,， pH=2.74,,[OH,-,]=5.42*10,-12,mol.L,-1,,[HSO,-,4,]=1.56*10,-4,mol.L,-1,,[SO,2-,4,]=8.4

6、4*10,-4,mol.L,-1,,[H,2,SO,4,]=2.87*10,-10,mol.L,-1,,解：水溶液中有5种组分：H,+,、OH,-,、HClO、ClO,-,、Na,+,例：NaClO是常用的漂白剂和杀菌剂。若配制的NaClO水溶液浓度为10,-3,mol.L,-1,，问水溶液中的pH值以及各组分的浓度。,需列出5个方程：,,C,T,Na,=[Na,+,]=10,-3,mol.L,-1,,C,T,ClO,=[HClO]+[ClO,-,]= 10,-3,mol.L,-1,,,ClO,-,+H,2,O=OH,-,+HClO K,b,=([OH,-,][HClO])/[ClO,-

7、,],,Kw=[H,+,][OH,-,]= 10,-14,HClO H,+,,,ClO,-,H,2,O,,OH,-,[HClO]+[H,+,]=[OH,-,],,可直接联解方程组，也可近似求解：,,因[ClO,-,]是碱，假设：[ClO,-,]》[HClO] ； [HO,-,]》[H,+,],,（一般认为，误差<5%允许假设成立）,解得：,,[ClO,-,]= 10,-3,mol.L,-1,=[Na],,[HClO]=[OH,-,]= 10,-4.75,,mol.L,-1,,,[H,+,]= 10,-9.25,mol.L,-1,即 pH=9.25,,pc-pH,图表示各组分浓度随pH变化

8、的曲线，即寻找各组分浓度与氢离子浓度函数关系。,、pc-pH图和a-pH图,例： 10,-3,mol.L,-1,的NaClO水溶液，作,H,+,、OH,-,、HClO、ClO,-,、Na,+,的,pc-pH,图。,解： H,+,、OH,-,与pH关系：,,pC,H+,=pH 、 pC,OH-,=14-pH （见图中2条对角线）,,HClO、ClO,-,与,pH关系：,,C,T，ClO,=[HClO]+[ClO,-,]、K,a,=[H+][ClO,-,]/[HClO],,整理上2式得：[HClO]=C,T，ClO,[H,+,]/(K,a,+[H,+,])……（1）,,[ClO,-,]=K,a,

9、C,T，ClO,/(K,a,+[H,+,]) ……（2）,,分析（1）式,[HClO]=C,T，ClO,[H,+,]/(K,a,+[H,+,])……（1）,,,当,,[H,+,],≥,K,a,，,即pH,pK,a,时，pC,HClO,=pC,T，ClO,+pH-pK,a,,代入数据pC,HClO,=3，pK,a,=7.5 得： pC,HClO,=pH-4.5,,,当K,a,=,[H,+,]，,pC,HClO,=pC,HClO,+

10、lg2=3.3,分析（2）式,,[ClO,-,]=K,a,C,T，ClO,/(K,a,+[H,+,]),,当[H,+,],≥,K,a,，pC,ClO-,=pK,a,＋pC,T，ClO,－pH=7.5+3-pH=10-pH ，斜率=1的直线；,,当K,a,≥,[H,+,]，pC,ClO-,=pC,T，ClO,=3，平行于pH轴的直线；,,当K,a,＝,[H,+,]，pC,ClO-,=pC,T，ClO,+lg2=3.3,,例：利用图4-1，求NaClO水溶液达到平衡时的pH值及水中各组分浓度：,,解：以ClO,-,和H,2,O为参比水平，写出质子平衡式：,HClO H,+,,,ClO,-,H

11、,2,O,,OH,-,[HClO]+[H,+,]=[OH,-,],二边取负对数：p([HClO]+[H,+,])=p[OH,-,],,图中A点满足上式，即A点为平衡点，该点对应的值从图中查到：,,pH=9.25，[H,+,]=10,-9.25,mol.L,-1,，,,[HClO]=[OH,-,]=10,-4.75,mol.L,-1,，,,[ClO,-,]=10,-3,mol.L,-1,,B点为HClO溶液平衡点。（多元酸碱及,a-pH图略,）,,例：,,、缓冲溶液的组成和作用原理,,、缓冲溶液的pH计算,,、缓冲溶液的配制,§4.4 pH,缓冲溶液,,缓冲溶液——加入少量酸或碱或稀释，pH

12、值基本保持不变的体系。,缓冲溶液组成——共轭酸碱对体系,例：HAc－NaAc; NH,3,·H,2,O－NH,4,Cl,,NaH,2,PO,4,－Na,2,HPO,4,等,、缓冲溶液的组成和作用原理,1. 缓冲溶液的组成,天然水因存在碳酸盐等共轭系统而具有缓冲能力，一般天然水pH=6-9范围内。水处理中常需保持一定的pH，以不使处理效率降低。,,Ac,-,同离子效应，HAc电离受抑制，c(H,+,)很小，HAc和Ac,-,大量存在。,,加酸,，,H,+,与,Ac-,结合成,HAc,，,解离平衡左移，抵消部分外加,H,+,的影响。,,加碱,，,OH,-,与,H,+,,结合成,H,2,O,，,

13、解离平衡右移，抵消部分外加,OH,－,的影响。,,加水，解离平衡右移，解离度增大，同时同离子效应减弱。,2. 缓冲溶液的作用原理（以HAc, NaAc为例）,,电荷平衡：,,[Na,+,]+[H,+,]=[Ac,-,]+[OH,-,],、缓冲溶液pH的计算,例：求弱酸HAc与共轭碱NaAc组成的缓冲液的pH,联立得：,解：质量平衡：,,C,T，Ac,=[HAc]+[A,-,] 、C,T，Na,=[Na,+,],化学平衡：,,K,a,=[H+][Ac,-,]/[HAc] 、K,w,=[H,+,][OH,-,],设[HAc]和[NaAc],≥,[H,+,]-[OH,-,],,近似求解得：,,开始：

14、 c(酸) c(盐),,转化： x x x,,平衡： c(酸) -x x c(盐)-x,盐,盐,另一求解方法：,,、缓冲强度（缓冲容量）,C,A,、C,B,——加入强酸、碱的浓度；加酸使pH下降，固取负,引起缓冲溶液单位pH变化所需加入的强酸或强碱的浓度mol.L,-1,对于HA-NaA缓冲体系，加入强酸HCl，则：,可证明，pH=pKa，这时,α,0,=,α,1,=0.5，有最大,β。所以，配制缓冲液时，选择盐与酸的浓度之比为了时，缓冲强度最大。,,例：有一制药厂产生[H

15、,+,]=10,-1.8,mol.L,-1,的强酸性废水，排放前要求中和到pH=6，但由于没有缓冲能力，使pH在4-11变动。为使pH稳定在6，,β,须达到,-1,。加NaOH中和，加NaHCO,3,增加缓冲强度，问需加多少NaOH和NaHCO,3,才达要求？忽略影响。,解：加入NaHCO,3,，增加缓冲强度。,[H,+,]=10,-1.8,到10,-6,，由,NaHCO,3,和NaOH共同中和。因此先求,β=0.75时的,C,T，CO3,，即为所需,NaHCO,3,的量；再求剩下的[H,+,]还需多少,NaOH中和。,代入数据得：,,0.75*10,-3,=2.3（10-6+10-8+0.6

16、66C,T,CO3,*0.334+0）,,解得：C,T,CO3,=1.46*10,-3-1,。即需加,NaHCO,3,的量。,,使[H,+,]从10,-1.8,至10,-6,，需中和掉[H,+,]= 10,-1.8,－10,-6,=1.58*10,-2,mol.L,-1,。,,NaHCO,3,、NaOH都对中和有贡献：,,HCO,3,-,+H,+,=H,2,CO,3,、 OH,-,+H+=H,2,O,,NaHCO,3,中和掉多少H,+,，只要看生成多少H,2,CO,*,3,,,[H,2,CO,*,3,]=,α,0,C,T,CO3,=0.666*1.42＊10,-3,=9.46*10,-4,mo

17、l.L,-1,，这即为,NaHCO,3,中和掉的[,H,+,]。,,需要加NaOH中和的[,H,+,]=,1.58*10,-2,－,9.46*10,-4,＝1.48*10,-2,mol.L,-1,,碳酸盐系统中存在的平衡关系可概括为：P87,4.5、碳酸盐系统,解决实际问题时，可分别处理成有无固体和封闭和开放系统4种情况。,,如：在水处理厂，当处理池表面积对总体积比值较小，水停留时间较短，当水中无碳酸盐固体时，可视为无固体存在的封闭系统；,,在研究分层湖泊下层水时，当底泥中存在CaCO3沉积物时可把研究对象看成有固体存在的封闭系统；,,在活性泥水处理厂中的曝气池是一个开放系统。,碳酸盐系统是天

18、然水中优良的缓冲系统，它与水的酸碱度、生物活动、水处理（水质软化）等有关。,,、碳酸盐物种浓度的计算,例：某河流，pH=8.3，C,T,CO3,=3*10,-3,mol.L,-1,。有含10,-2,mol.L,-1,H,2,SO,4,的废水排入该河流。假如河流pH值不得降低至6.7以下，问每升河水中最多可排入这种废水多少毫升？,解：由于酸碱反应十分迅速，可视为封闭系统来处理。,,当pH=8.3，主要物种为HCO,-,3,：,,[HCO,-,3,]=C,T,CO3,=3*10,-3,mol.L,-1,。,,加入酸，将一部分HCO,-,3,转化为H,2,CO,*,3,：,,H,-,+ HCO,-,

19、3,= H,2,CO,*,3,Ka1=10,-6.3,,当 pH=6.7，主要物种为 HCO,-,3,、H,2,CO,3,。,,即加酸至pH=6.7时，有8.6*10,-4,mol.L,-1,的H,2,CO,3,生成，即每升河水中要加入的[H,+,]，相当于每升河水中加入含10,-2,mol.L,-1,H,2,SO,4,的废水量V为：,因此每升河水中可加入含10,-2,mol.L,-1,H,2,SO,4,的废水43mL。,,、碱度与酸度,碱度指接受质子能力的量度；酸度指接受羟基离子能力的量度；而pH值指-lg[H,+,]。单位：mol.L,-1,,pH 碱度（滴定HCl的浓度）,,10

20、,-3,mol.L,-1,的NaOH 11 10,-3,mol.L,-1,,0.1 mol.L,-1,的NaHCO3 8.3 0.1 mol.L,-1,碱度对于水处理、生物学作用有重要意义。,,水处理中常用铝盐作絮凝剂除去水中悬浮物：Al,3+,+ 3OH,-,= Al(OH),3,↓ ，胶状Al(OH),3,沉淀把悬浮物带下的同时，也除去了水中的碱度；,,当藻类迅速生长，由于CO,2,消耗过快，不能保持与大气CO,2,平衡，pH会升高至10以上，此过程中 HCO,-,3,参与转化成生物物质：CO,2,+ H,2,O+hv = {CH,2,O}+O,2

21、 、,HCO,-,3,+H,2,O = {CH,2,O}+OH-+O,2,,,各碱度与酸度的化学计量点及相应的计算公式P96,,苛性碱度：滴定到C,T,CO3,=[CO,2-,3,]时，所有的OH,-,被中和；,,碳酸盐碱度：继续滴定到C,T,CO3,=[HCO,-,3,]时，所有的CO,2-,3,被中和；,,总碱度：继续滴定到C,T,CO3,=[H,2,CO,3,]时，所有的HCO,-,3,被中和 ；,,例：已知某个属于碳酸盐系统的水样的pH=7.8，测定总碱度时，对100mL水样用,-1,的HCl滴定，至甲基橙指示剂变色消耗盐酸13.7mL。求水中的总无机碳浓度，即C,T,CO3,。,解：

22、据公式：,将上述数据代入公式（1）解得：,,,C,T,CO3,= 2.83*10,-3,mol.L,-1,,4.6、酸碱化学在水处理中的应用,工业废水许多带酸碱性，直接排放，要腐蚀管道、损坏农作物、伤害鱼类、危害人体健康。,,酸性废水主要来自钢铁厂、电镀厂、化工厂、矿山等；碱性废水主要来自造纸厂、印染厂、化工厂等。,,处理：中和、回收利用、沉淀重金属等。,如德国对含有1%硫酸和1%~2%的硫酸亚铁的钢铁酸洗废液，先经石灰浆处理至pH=9~10，然后进行曝气以帮助Fe(OH),2,氧化成Fe(OH),3,沉淀，经过沉降，上层清液再加酸调整到pH=7-8，使水可重复使用。,,碱性废水常用酸(H,2

23、,SO,4,工业硫酸更经济、HCl)和酸废水、烟道气(CO,2,、SO,2,、H,2,S)等中和。,根据化学计量关系，计算加入硫酸量：,如，印染废水中的碱主要有NaOH、Na,2,CO,3,、Na,2,S等，与硫酸反应：,NaOH+ H,2,SO,4,= Na,2,SO,4,+H,2,O,,Na,2,CO,3,+ H,2,SO,4,= Na,2,SO,4,+ H,2,O +CO,2,,Na,2,S + H,2,SO,4,= Na,2,SO,4,+ H,2,S,其中：N,A,—酸总耗量kg.h,-1,；a—酸性药剂比耗量；C—酸纯度；N,B,—废水中含碱量kg.h,-1,；k—反应不均匀系数，通常,,在用强酸中和碱性废水时，当水的缓冲强度较小时，pH难于控制，英国采用CO,2,取代工业硫酸，取得很好效果。使用CO,2,调节废水pH，目前尚未被广泛认识，但将逐渐普及，因其安全、灵活、可靠、易操作、便于管理等。,,,,思考题：,1、将Na,2,CO,3,加入水中，写出质子转移关系、CO,3,2-,和Na+的质量平衡式、电荷平衡式。P66,,2、NaClO是常用的漂白剂和杀菌剂。若配制的NaClO水溶液浓度为10,-3,mol.L,-1,，问水溶液中的pH值以及各组分浓度? P67,,