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水的电离和溶液的酸碱性
第24讲 水的电离和溶液的酸碱性
基础考点梳理
最新考纲
1.了解水的电离、离子积常数。
2.了解溶液pH的定义。
3.了解测定溶液pH的方法,能进行pH的简单计算。
4.分析或处理实验数据,得出合理结论。
自主复习
一、水的电离
1.电离方程式
水是一种极弱的电解质:
H2O+H2OH3O++OH-。
简写为H2OH++OH-。
2.纯水室温下的数据
(1)c(H+)=c(OH-)=1.0×10-7mol·L-1
(2)KW=c(H+)·c(OH-)=1×10-14
(3)pH=7
3.KW的影响因素
KW只与温度有关,温度不变,KW不变;温度升高,KW增大,反之,KW减小。
二、溶液的酸碱性与pH
1.溶液的酸碱性
溶液的酸碱性取决于溶液中c(H+)和c(OH-)的相对大小。
(1)c(H+)>c(OH-),溶液呈酸性;
(2)c(H+)=c(OH-),溶液呈中性;
(3)c(H+) 三、酸碱中和滴定 1.概念 利用中和反应,用已知浓度的酸(或碱)来测定未知浓度的碱(或酸)的实验方法。 2.实验用品 试剂: 酸、碱、指示剂、蒸馏水。 仪器: 酸式滴定管、碱式滴定管、滴定管夹、铁架台、烧杯、锥形瓶。 3.实验操作(以标准盐酸滴定待测NaOH溶液) (1)滴定前的准备 ①滴定管中: a.查漏,b.洗涤,c.润洗,d.装液,e.排气,f.调液面,g.记录。 ②锥形瓶中: a.注入碱液,b.记读数,c.加指示剂。 (2)滴定 左手控制活塞,右手振荡锥形瓶,眼睛注视锥形瓶内溶液颜色的变化,滴定至终点时,记录标准液的体积。 4.数据处理 按上述操作重复二至三次,求出用去标准盐酸体积的平均值,根据c(NaOH)= 计算。 网络构建(278页错位) 热点典例突破 热点考向 1.水的电离平衡的影响因素以及离子积常数的应用。 2.c(H+)、c(OH-)、pH和溶液酸碱性的关系以及相关计算。 3.酸碱中和滴定的操作过程中滴定管的使用,指示剂的选择以及误差分析。 4.综合应用水的电离、溶液pH、酸碱中和滴定等原理解决具体问题。 热点探究 热点1水的电离 1.水的电离 水是一种很弱的电解质,只能微弱地电离出H+和OH-,在通常情况下,我们一般认为水不导电。 水电离的电离方程式为H2O+H2OH3O++OH-或H2OH++OH-。 根据H2OH++OH-,可以知道在纯水中H+的浓度与OH-的浓度是相等的。 2.影响水的电离平衡的因素 (1)温度 因为水的电离是吸热过程,故升高温度,水的电离平衡向右移动。 c(H+)和c(OH-)同时增大,但因为由水电离出的c(H+)和c(OH-)始终相等,故溶液呈中性。 (2)加入酸或碱 向纯水中加入酸(或碱),由于酸(或碱)电离产生H+(或OH-),使水中c(H+)[或c(OH-)]增大,水的电离平衡向左移动,达到新平衡时,溶液中c(H+)[或c(OH-)]增大,水的电离程度减小。 (3)加入活泼金属 向纯水中加入活泼金属,如金属钠,由于活泼金属可与水电离产生的H+直接发生置换反应,产生H2,使水的电离平衡向右移动。 (4)加入弱碱阳离子或弱酸根阴离子 由于弱碱阳离子与水电离出的OH-结合生成弱碱,弱酸根阴离子与水电离出的H+结合生成了弱酸,从而使水中的c(OH-)或c(H+)降低,破坏了水的电离平衡,使水的电离平衡向右移动,其电离程度增大。 总之,升高温度、加入极活泼的金属、加入弱碱阳离子或弱酸根阴离子,能促进水的电离;降低温度、加入酸或碱,能抑制水的电离。 说明: ①外界条件改变,水的电离平衡发生移动,但任何时候水电离出的c(H+)和c(OH-)总是相等的。 ②只要温度不变,KW就不变。 25℃时KW=10-14适用于任何稀酸、稀碱或盐溶液。 3.水的离子积常数 对于纯水来说,在25℃时,1L纯水中只有1×10-7molH2O电离,根据水的电离方程式,我们可以知道,在纯水中c(H+)=1×10-7mol·L-1,c(OH-)=1×10-7mol·L-1,所以,在25℃时,c(H+)·c(OH-)=1×10-14,通常把c(H+)与c(OH-)的乘积用KW表示,叫做水的离子积常数,简称水的离子积。 根据实验验证,在温度一定时,KW是一个常数。 友情提示: KW只与温度有关。 因水的电离是吸热的,故温度越高,水的电离程度越大,c(H+)=c(OH-)>1×10-7mol/L,此时KW>10-14。 【例1】 (1)25℃时,水的电离达到平衡: H2OH++OH- ΔH>0,下列叙述正确的是( ) A.向水中加入稀氨水,平衡逆向移动,c(OH-)降低 B.向水中加入少量固体硫酸氢钠,c(H+)增大,KW不变 C.向水中加入少量固体CH3COONa平衡逆向移动,c(H+)降低 D.将水加热,KW增大,pH不变 (2)将纯水加热至较高温度,下列叙述正确的是( ) A.水的离子积变大、pH变小、呈酸性 B.水的离子积不变、pH不变、呈中性 C.水的离子积变小、pH变大、呈碱性 D.水的离子积变大、pH变小、呈中性 [解析] (1)在水中不论加入酸、碱还是强酸酸式盐都会因c(H+)或c(OH-)增大而使水电离平衡逆向移动,而移动结果只能使离子浓度增大的程度得到减弱,即还是增大了,故A叙述中c(OH-)降低不正确;B叙述中c(H+)增大是正确的,而KW与浓度无关,只与温度有关,故KW不变,B正确;当升高温度时,KW变大,c(H+)、c(OH-)也变大,引起水的pH变小,故D不正确;当向水中加入以水解为主的盐时会促进水的电离,使水的电离平衡向正反应方向移动,故C叙述错误。 (2)H2OH++OH-水的电离过程为吸热过程,升高温度使电离平衡向正反应方向移动,c(H+)和c(OH-)均增大,KW增大,pH减小,纯水中c(H+)=c(OH-),呈中性。 [答案] (1)B (2)D [点评] 由于H2OH++OH-,在水溶液中,H+与OH-同时存在,始终有c(H+) =c(OH-) ,溶液的酸碱性取决于c(H+)与c(OH-)的相对大小,而不取决于c(H+)或c(OH-)的数值大小。 变式1 下列溶液: ①pH=0的盐酸 ②0.5mol/L的盐酸 ③0.1mol/L的氯化铵溶液 ④0.1mol/L的氢氧化钠溶液 ⑤0.1mol/L的氟化钠溶液,由水电离的H+浓度由大到小的顺序正确的是( ) A.①②③④⑤ B.③⑤④②① C.①②③⑤④D.⑤③④①② 解析: 常温下纯水电离出的c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L。 在酸或碱溶液中,由水电离产生的c(H+)都小于10-7mol/L,酸(或碱)电离出的c(H+)[或c(OH-)]越大,则水电离出的c(H+)就越小。 pH=0的盐酸中,水电离出的c(H+)=10-14mol/L;0.5mol/L盐酸中水电离出的c(H+)= mol/L=2×10-14mol/L;0.1mol/L的NaOH溶液中,水电离出的c(H+)=10-13mol/L。 氯化铵、氟化钠等能发生盐的水解,将促进水的电离c(H+)水>10-7mol/L,由于NH3·H2O的电离程度小于HF,所以NH 水解程度大于F-,故NH4Cl水溶液中水电离出的c(H+)大于NaF溶液中水电离出的c(H+),综上所述水电离出c(H+)由大到小的顺序为③⑤④②①。 答案: B 热点2溶液的酸碱性 1.溶液的离子积常数 在一定温度时,由于水的电离平衡的存在,不仅是纯水,就是在酸性或碱性的稀溶液里,c(H+)与c(OH-)的乘积总是一个常数。 2.溶液的酸碱性与c(H+)、c(OH-)的关系 (1)常温时,在中性溶液里,c(H+)=c(OH-)=1×10-7mol·L-1,c(H+)·c(OH-)=1×10-14。 (2)常温时,在酸性溶液里,c(H+)>c(OH-),c(H+)>1×10-7mol·L-1,c(H+)·c(OH-)=1×10-14。 (3)常温时,在碱性溶液里,c(H+) (4)溶液中的c(H+)越大,则溶液的酸性越强;溶液中的c(H+)越小,则溶液的酸性越弱。 【例2】 下列溶液肯定是酸性的是( ) A.含H+的溶液 B.能使酚酞显无色的溶液 C.pH<7的溶液 D.c(OH-) [解析] 任何水溶液中均含H+和OH-,故A错;酚酞显无色的溶液,其pH<8.2,该溶液可能显酸性,也可能呈中性或碱性,B错;以纯水在100℃为例,KW=10-12,c(H+)=10-6mol/L,pH=6,但水为中性,故pH<7的溶液可能显酸性,也可能呈中性或碱性。 [答案] D 变式2 常温下,某溶液中水电离出c(OH-)=1×10-13mol/L,对该溶液的叙述正确的是( ) A.溶液一定显酸性 B.溶液一定显碱性 C.溶液一定不显中性 D.溶液可能是pH=13的溶液 解析: 据水的离子积常数知,由水电离出c(OH-)=c(H+)=1×10-13mol/L。 这是由于在水中加酸或加碱,抑制了水的电离。 如常温下,水中加碱,溶液中的c(OH-)=1×10-1mol/L,由水电离出c(H+)=c(OH-)=1×10-13mol/L,故溶液的pH=13。 答案: CD 热点3溶液的pH 1.pH的含义及计算式 (1)对于c(H+)很小的溶液,化学上常采取pH来表示溶液酸碱性的强弱。 (2)pH=-lg[c(H+)]。 2.pH的大小与溶液的酸碱性强弱的关系 pH越小,溶液酸性越强,pH每减小1,c(H+)增大10倍;pH越大,溶液的碱性越强,pH每增加1,c(OH-)增大10倍。 3.pH测定方法 酸碱指示剂只能测出pH范围,一般不能准确测出pH,即只能测溶液酸碱性,不能测酸碱度。 测pH可用pH试纸,这种试纸在使用时不能用水湿润,否则非中性溶液的pH的测定值比实际pH或大或小。 使用时用玻璃棒蘸取未知溶液滴在pH试纸上与标准比色卡比色即可。 精确测pH可使用pH计。 4.溶液pH的计算 方法总结: ①求溶液pH的方法,可总结口诀如下: 酸按酸(H+),碱按碱(OH-);同强相混直接算;异强相混看过量;无限稀释“7”为限。 ②若为弱酸或弱碱溶液,每稀释10n倍,pH变化则小于n个单位,无限稀释时,与上述情况相同。 【例3】 (1)下列叙述正确的是( ) A.95℃纯水的pH<7,说明加热可导致水呈酸性 B.pH=3的醋酸溶液,稀释至10倍后pH=4 C.0.2mol/L的盐酸,与等体积水混合后pH=1 D.pH=3的醋酸溶液与pH=11的氢氧化钠溶液等体积混合后pH=7 (2)室温时,将xmLpH=a的稀NaOH溶液与ymLpH=b的稀盐酸充分反应。 下列关于反应后溶液pH的判断,正确的是( ) A.若x=y,且a+b=14,则pH>7 B.若10x=y,且a+b=13,则pH=7 C.若ax=by,且a+b=13,则pH=7 D.若x=10y,且a+b=14,则pH>7 [解析] (1)依次分析: 水电离吸热,升温,c(H+)、c(OH-)同时变大,尽管pH<7,但始终c(H+)=c(OH-),水呈中性,A错;pH=3的CH3COOH溶液稀释10倍,由于CH3COOH分子继续电离,pH范围为3 (2)由题意知,n(NaOH)=x×10-3×10a-14mol,n(HCl)=y×10-3×10-bmol。 故 = = ×10a+b-14,分步讨论: ①若x=y,且a+b=14,则n(NaOH)=n(HCl),二者恰好反应,pH=7; ②若10x=y,且a+b=13,则n(HCl)=100n(NaOH),HCl过量,pH<7; ③若ax=by,且a+b=13,则 = · <1(因a>7,b<7),HCl过量,pH<7; ④若x=10y,且a+b=14,则 =10>1,NaOH过量,pH>7。 [答案] (1)C (2)D 变式3 对于常温下pH为1的HNO3溶液,下列叙述正确的是( ) A.该溶液1mL稀释至100mL后,pH等于3 B.向该溶液中加入等体积、pH为13的氢氧化钡溶液恰好完全中和 C.该溶液中硝酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)的比值为10-12 D.该溶液中水电离出的c(H+)是pH为3的硝酸中水电离出的c(H+)的100倍 解析: B项,pH(强酸)+pH(强碱)=14,等体积混合时完全中和,正确。 pH为1的硝酸中水电离出的c(H+)为10-13mol/L,C项中两者之比为 =1012,不正确。 pH为3的硝酸中水电离出的c(H+)为10-11mol/L, =10-2,D项错。 答案: AB 点评: 所有的水溶液中都存在水的电离,无论溶液显酸性、中性或碱性都含有H+和OH-,关键是看溶液中c(H+)和c(OH-)的相对大小,这是溶液酸碱性的本质。 热点4酸碱中和滴定 1.原理: 中和反应 (1)滴定管的“0”刻度在仪器的上端,注入液体后,仰视读数数值偏大,俯视读数数值偏小。 (2)滴定管读数时,可记录到小数点后两位,而量筒可记录到小数点后一位。 (3)使用滴定管的第一步操作是查漏。 (4)滴定时一般选用酚酞、甲基橙作指示剂,而不用石蕊(因变色不明显)。 强酸滴定强碱或强碱滴定强酸,可选用酚酞或甲基橙作指示剂;强酸滴定弱碱,用甲基橙作指示剂(强酸弱碱盐水解呈酸性);强碱滴定弱酸,用酚酞作指示剂(强碱弱酸盐水解呈碱性)。 3.操作步骤: (以0.1mol/L的盐酸滴定未知浓度的NaOH溶液为例) (1)查漏、洗涤、润洗。 (2)装液、赶气泡、调液面、注液(向锥形瓶中)。 (3)滴定: 眼睛注视锥形瓶中溶液颜色的变化,当滴加到最后一滴,溶液颜色变化且半分钟内不变色即为滴定终点。 4.误差分析 用滴定法测待测液的浓度时,消耗标准溶液多,则结果偏高;消耗标准溶液少,则结果偏低。 从计算式分析,当酸碱恰好中和时,有关系式: c标·V标·n标=c待·V待·n待(c、V、n分别表示溶液物质的量浓度,溶液体积,酸或碱的元数)。 故c待= ,由于c标、n标、V待、n待均为定值,所以c待的大小取决于V标的大小,V标大,则c待大,V标小,则c待小。 以标准酸溶液滴定未知浓度的碱为例,常见的因操作不对而引起的误差: ①未用标准酸洗滴定管,则测量值偏高; ②滴定管尖嘴部分有气泡,滴定后消失,则测量值偏高; ③滴定前读数正确,滴定后俯视读数,则测量值偏低; ④滴定前读数正确,滴定后仰视读数,则测量值偏高; ⑤滴定前,用待测液洗锥形瓶,则测量值偏高; ⑥未用待测液洗移液管,则测量值偏低。 【例4】 实验室常利用甲醛法测定(NH4)2SO4样品中氮的质量分数,其反应原理为: 4NH +6HCHO===3H++6H2O+(CH2)6N4H+[滴定时,1mol(CH2)6N4H+与1molH+相当],然后用NaOH标准溶液滴定反应生成的酸。 某兴趣小组用甲醛法进行了如下实验: 步骤Ⅰ 称取样品1.500g。 步骤Ⅱ 将样品溶解后,完全转移到250mL容量瓶中,定容,充分摇匀。 步骤Ⅲ 移取25.00mL样品溶液于250mL锥形瓶中,加入10mL20%的中性甲醛溶液,摇匀、静置5min后,加入1~2滴酚酞试液,用NaOH标准溶液滴定至终点。 按上述操作方法再重复2次。 (1)根据步骤Ⅲ填空: ①碱式滴定管用蒸馏水洗涤后,直接加入NaOH标准溶液进行滴定,则测得样品中氮的质量分数__________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。 ②锥形瓶用蒸馏水洗涤后,水未倒尽,则滴定时用去NaOH标准溶液的体积__________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。 ③滴定时边滴边摇动锥形瓶,眼睛应观察__________。 A.滴定管内液面的变化 B.锥形瓶内溶液颜色的变化 ④滴定达到终点时,酚酞指示剂由________色变成________色。 (2)滴定结果如下表所示: 滴定次数 待测溶液的体积/mL 标准溶液的体积 滴定前刻度/mL 滴定后刻度/mL 1 25.00 1.02 21.03 2 25.00 2.00 21.99 3 25.00 0.20 20.20 若NaOH标准溶液的浓度为0.1010mol·L-1,则该样品中氮的质量分数为__________。 [解析] (1)根据题意在滴定过程中,应在边滴边摇动锥形瓶的同时,边注视锥形瓶内溶液颜色的变化。 当溶液颜色由无色变粉红色时表明已达到滴定终点;由4NH +6HCHO===3H++6H2O+(CH2)6N4H+;H++OH-===H2O,及题给信息知: NH ~OH-,即V(NH )·c(NH )=V(NaOH)·c(NaOH);碱式滴定管不润洗就加入标准液使c(NaOH)降低,消耗NaOH体积增大,n(NH )增大,结果偏高。 锥形瓶中有无水对结果没有影响。 (2)由表中可知,滴定用NaOH溶液体积为: =20.00mL,由反应方程式可知样品中氮的物质的量与NaOH的关系为: 4N~4NH ~3H++(CH2)6N4H+~4NaOH 故样品中氮的质量分数为: ×100%=18.85%。 [答案] (1)①偏高 ②无影响 ③B ④无 浅红 (2)18.85% [点评] 进行中和滴定的正确操作和误差分析时要注意: (1)滴定管水洗后要再用待装液润洗2~3次。 (2)锥形瓶水洗后不再用待装液润洗。 (3)滴定管、量筒等量器读数原则: 刻度在中间,液面和眼在两边,三点成一水平线。 (如图) 变式4 氧化还原滴定实验与中和滴定类似(用已知浓度的氧化剂溶液滴定未知浓度的还原剂溶液或反之)。 现有0.001mol/LKMnO4酸性溶液和未知浓度的无色NaHSO3溶液。 反应的离子方程式是2MnO +5HSO +H+===2Mn2++5SO +3H2O。 填空完成以下问题: (1)该滴定实验所需仪器有下列中的________。 A.酸式滴定管(50mL) B.碱式滴定管(50mL) C.量筒(10mL) D.锥形瓶 E.铁架台 F.滴定管夹 G.烧杯 H.白纸 I.胶头滴管 J.漏斗 (2)不用________(酸、碱)式滴定管盛放高锰酸钾溶液。 试分析原因______________ (3)选何种指示剂,说明理由_________________________________。 (4)滴定前平视KMnO4液面,刻度为amL,滴定后俯视液面刻度为bmL,则(b-a)mL比实际消耗KMnO4溶液体积________(多、少)。 根据(b-a)mL计算得到的待测浓度,比实际浓度________(大、小)。 解析: (1)因为氧化还原滴定实验类似于中和滴定,由中和滴定实验所需仪器的选用进行迁移可得出正确答案。 (2)由于KMnO4具有强氧化性,能腐蚀橡胶管,故不能用碱式滴定管盛放KMnO4溶液。 (3)MnO 为紫色,Mn2+为无色,可用这一明显的颜色变化来判断滴定终点。 (4)滴定后俯视液面,所读体积偏小,所测浓度比实际浓度偏小。 答案: (1)ADEFHG (2)碱 高锰酸钾能腐蚀橡胶管 (3)不用指示剂,因为MnO ―→Mn2+时紫色褪去 (4)少 小 方法规律技巧 强酸溶液(pH=a)与强碱溶液(pH=b)完全中和时的体积比 由n(H+)=n(OH-) V酸·c(H+)酸=V碱·c(OH-)碱 = = = =10a+b-14 【考例】 25℃时,若体积为Va,pH=a的某一元强酸与体积Vb、pH=b的某一元强碱混合,恰好中和,且已知Va (1)a值可否等于3(填“可”或“否”)________,其理由是________。 (2)a值可否等于5(填“可”或“否”)________,其理由是________。 (3)a的取值范围是________。 [解析] 本题以一元强酸与一元强碱恰好中和为依据,并限定消耗酸的体积小于消耗碱的体积且碱的pH为酸的2倍时讨论强酸pH的取值范围。 (3) = = =10-(14-2a)+a=103a-14<1, 3a-14<0 则a< ,又pH=b=2a>7(因为是强碱溶液),即a> ,故
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