《酸碱化学》PPT课件

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；,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,+2HPO,2-,4,+3PO,3-,4,+OH,-,质子转移关系式和电荷平衡关系式常可以互推，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,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,+2SO,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,=8.44*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,-,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,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,+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,2,O,OH,-,HClO+H,+,=OH,-,二边取负对数：p(HClO+H,+,)=pOH,-,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值基本保持不变的体系。,缓冲溶液组成共轭酸碱对体系,例：HAcNaAc; NH,3,H,2,ONH,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,，,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： 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,0,=,1,=0.5，有最大,。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,+,=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，,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,=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+0.666C,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,=,0,C,T,CO3,=0.666*1.4210,-3,=9.46*10,-4,mol.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,-,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-lgH,+,。单位：mol.L,-1,pH 碱度（滴定HCl的浓度）,10,-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 、,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：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=910，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,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,