鲁科版 (2019)第1节 水与水溶液第2课时导学案

第2课时　水溶液的酸碱性与pH

学习目标

1.通过溶液酸碱性的探究,认识水溶液的酸碱度与H+、OH-浓度以及与pH的关系。

2.通过pH测定知识的学习,掌握检测溶液pH的方法。

学习任务1　水溶液的酸碱性与pH

1.水溶液的酸碱性与c(H+)和c(OH-)的关系

微点拨:用c(H+)、c(OH-)的相对大小来判断水溶液的酸碱性,不受温度影响。

2.水溶液的pH、c平(H+)与酸碱度的关系

(1)pH的表达式:pH=-lg c平(H+)。 

(2)水溶液的pH、c平(H+)与酸碱度的关系如图(25 ℃)。

(3)pH的范围:0≤pH≤14。

微点拨:pH与酸碱度的关系为pH=7,溶液显中性;pH<7,溶液显酸性;pH>7,溶液显碱性,仅在25 ℃时成立。

3.水溶液的酸碱度的测定方法

(1)pH试纸:使用pH试纸的正确操作为取一小块pH试纸于干燥洁净的玻璃片或表面皿上,用干燥洁净的玻璃棒蘸取试液点在试纸上,当试纸颜色变化稳定后迅速与标准比色卡对照,读出pH。

(2)pH计:仪器pH计可精确测定试液的pH(精确至小数点后2位)。

微点拨:pH试纸仅能测量到“整数”。

pH试纸上有甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝这三种指示剂。甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝和酚酞一样,在不同pH的溶液中均会按一定规律变色。甲基红的变色范围是pH:4.4(红)～6.2(黄),溴甲酚绿的变色范围是pH:3.6(黄)～5.4(绿),百里酚蓝的变色范围是pH:6.7(黄)～7.5(蓝)。用定量甲基红加定量溴甲酚绿加定量百里酚蓝的混合指示剂浸渍中性白色试纸,晾干后制得的pH试纸即可用于测定溶液的pH。

探究1　pH的相关理解

问题1:pH的主要作用是什么?

提示:用来表示溶液的酸碱度。

问题2:表示溶液的酸碱度可不可以用c(H+)或c(OH-)?　

提示:可以。比如0.001 mol·L-1的HCl溶液与0.001 mol·L-1的H2SO4溶液,前者c(H+)=0.001 mol·L-1,后者c(H+)=0.002 mol·L-1,所以后者酸度大于前者;再如0.1 mol·L-1的NaOH溶液与0.05 mol·L-1的Ba(OH)2溶液,前者c(OH-)=0.1 mol·L-1,后者c(OH-)=0.1 mol·L-1,所以两者碱性强度相同。

问题3:既然用c(H+)或c(OH-)也可以表示溶液的酸碱度,那么引入pH意义何在?

提示:c(H+)=0.001 mol·L-1的溶液若用pH表示,为3,显然0.001数值太小,书写及使用均不方便,没有3好用。所以化学上经常会把一些“很小”的数值转换成负对数来使用。比如某反应的平衡常数为1.0×10-11,则其pK=11。

问题4:一般来说pH范围是[0,14],有没有可能超出此范围?

提示:有可能。比如浓度为10 mol·L-1的HCl溶液,其pH=-lg 10=-1。不过一般当c(H+)或c(OH-)大于1 mol·L-1时不再用pH表示溶液的酸碱度,而是直接用c(H+)或c(OH-)表示溶液的酸碱度。

探究2　pH与酸碱度的关系

问题5:25 ℃时pH与酸碱度有什么关系?

提示:25 ℃时,pH<7,溶液显酸性,pH=7,溶液显中性,pH>7,溶液显碱性。

问题6:已知100 ℃时纯水的KW=5.5×10-13mol2·L-2。那么此时中性的溶液pH为多少?

提示:此时c(H+)=c(OH-)=×10-7mol·L-1≈7.4×10-7mol·L-1,pH=-lg7.4×10-7≈6.13。

问题7:根据上述计算判断100 ℃时pH与溶液酸碱度的关系。

提示:100 ℃时pH<6.13,溶液显酸性,pH=6.13,溶液显中性,pH>6.13,溶液显碱性。

溶液酸碱性的判断

1.(2021·湖南益阳期中)下列水溶液一定呈中性的是(　D　)

A.pH=7的溶液

B.c(H+)=10-7 mol·L-1的溶液

C.c(H+)·c(OH-)=10-14的溶液

D.c(H+)=的溶液

解析:pH=7的溶液中c(H+)=10-7 mol·L-1,但温度未知,KW未知,c(H+)与c(OH-)不一定相等,故溶液不一定呈中性,A、B不符合题意;c(H+)·c(OH-)=10-14的溶液中,c(H+)与c(OH-)不一定相等,故溶液不一定呈中性,C不符合题意;根据c(H+)·c(OH-)=KW可知,c(H+)=的溶液,c(H+)=c(OH-),溶液一定呈中性,D符合题意。

2.科学家经过研究后发现,把水加热加压到374 ℃、22.1 MPa以上时具有很多特性,如其中含有的氢离子浓度远远大于10-7 mol·L-1,还具有很强的溶解有机物的能力。由此可知,处于这种状态下的水(　B　)

A.显中性,pH一定等于7

B.表现出非极性溶剂的特性

C.显酸性,pH一定小于7

D.表现出极性溶剂的特性

解析:把水加热加压到374 ℃、22.1 MPa以上为超临界水,超临界水仍然是水,显中性,但温度高于常温,水电离程度增大,pH应小于7,A、C错误;有机物大多数是非极性分子,根据相似相溶原理,可知超临界水表现出非极性溶剂的特性,B正确,D错误。

溶液酸碱性判断的关键是看“溶液”中的c(H+)与c(OH-)的相对大小。c(H+)=c(OH-),溶液显中性,c(H+)>c(OH-),溶液显酸性,c(H+)<c(OH-),溶液显碱性。根据pH与7的关系判断溶液酸碱性,必须注意前提条件是25 ℃。

学习任务2　溶液pH的计算

1.单一溶液pH的计算

(1)强酸溶液:根据c酸→算出c(H+)→代入pH=-lg c(H+)计算。

(2)强碱溶液:根据c碱→算出c(OH-)→根据KW=c(H+)·c(OH-)算出c(H+)→把c(H+)代入pH=-lg c(H+)计算。

2.强酸或强碱稀释pH的计算

根据c浓·V浓=c稀·V稀计算出稀释后酸或碱的浓度,然后与单一溶液pH的计算中的计算过程相同。

3.强酸—强酸或强碱—强碱溶液混合pH的计算

(1)→算出混合溶液c混(H+)=→把c混(H+)代入pH=-lg c(H+)计算。

(2)→算出混合溶液c混(OH-)=→根据KW=c(H+)·c(OH-)算出c混(H+)→代入pH=-lg c(H+)计算。

微点拨:若pH之差≥2的两种强酸溶液等体积混合,混合溶液pH=pH小+0.3;若pH之差≥2的两种强碱溶液等体积混合,混合溶液pH=pH大-0.3。

4.强酸与强碱混合(25 ℃时)

　pH计算实际上是一种“近似计算”,下面我们来探究这种近似计算的准确度。

探究1　pH近似计算的准确度

问题1:0.000 1 mol·L-1的HCl溶液中HCl电离出来的c(H+)多大?

提示:由于HCl属于强酸,完全电离,因此HCl电离出的c(H+)=0.000 1 mol·L-1。

问题2:上述盐酸中水电离出的c(H+)与c(OH-)是否相等?

提示:根据H2OH++OH-可知,c(H+)=c(OH-),所以两者浓度相等。

问题3:室温下,上述盐酸中,假设水电离出的c(H+)=c(OH-)=c mol·L-1,代入KW=c液(H+)·c液(OH-),求出c值。

提示:1.0×10-14 mol2·L-2=(c+0.000 1)·c mol2·L-2,解得c1=-0.000 1(无意义舍弃),c2≈9.99×10-11。

问题4:上述盐酸中HCl电离出的c(H+)是水电离出的c(H+)的多少倍?计算酸溶液pH时可不可以忽略水电离出的氢离子浓度?

提示:c酸(H+)∶c水(H+)=0.0001∶(9.99×10-11)≈100万倍;可以忽略。

探究2　水电离出的H+浓度的计算

问题5:KW=c(H+)·c(OH-)中c(H+)、c(OH-)指的是溶液中的氢离子、氢氧根离子浓度还是水电离出的氢离子、氢氧根离子浓度?

提示:指的是溶液中的氢离子、氢氧根离子浓度,即KW=c液(H+)·c液(OH-)。

问题6:酸溶液中忽略水电离出的氢离子,如何计算水电离出的氢离子浓度?

提示:KW=c液(H+)·c液(OH-)=c酸(H+)·c液(OH-),所以c水(H+)=c水(OH-)=c液(OH-)=。

问题7:碱溶液中忽略水电离出的氢氧根离子,如何计算水电离出的氢离子浓度?

提示:KW=c液(H+)·c液(OH-)=c液(H+)·c碱(OH-),所以c水(H+)=c液(H+)=。

一般浓度的酸或碱溶液中酸或碱电离出的c(H+)或c(OH-)远远大于水电离出的两者浓度,因此酸溶液中c液(H+)=c酸(H+)+c水(H+)≈c酸(H+),碱溶液中c液(OH-)=c碱(OH-)+c水(OH-)≈c碱(OH-)。所以pH计算中,酸溶液中忽略水电离出的H+,碱溶液中忽略水电离出的OH-,因此pH计算均为“近似计算”。虽然属于近似计算,但实际上非常准确,一般误差都在小数点5位数之后。必须注意当酸、碱浓度极小时反而会忽略酸、碱电离出的氢离子或氢氧根离子。例如室温下,pH=5的HCl溶液稀释1 000倍,稀释前c酸(H+)=10-5 mol·L-1,c水(H+)=10-9 mol·L-1,此时酸电离出的H+是水电离出的H+的104倍,此时可以忽略水电离出的H+,但稀释后c酸(H+)=10-8 mol·L-1,比纯水电离出的H+浓度(10-7 mol·L-1)还小,此时就不能忽略水的电离了。

1.(2021·天津耀华中学期中)对于常温下pH=1的硝酸溶液,下列叙述正确的是(　B　)

A.该溶液1 mL稀释至100 mL后,pH大于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+)之比为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:硝酸为强电解质,该溶液1 mL稀释至100 mL后,溶液的pH=3,故A错误;常温下pH=1的硝酸溶液中氢离子浓度为0.1 mol·L-1,pH=13的氢氧化钡溶液中氢氧根离子浓度为0.1 mol·L-1,两溶液等体积混合后氢离子、氢氧根离子恰好完全反应,反应后溶液呈中性,故B正确;25 ℃时该溶液中硝酸电离出的c(H+)=0.1 mol·L-1,水电离出的 c(H+)=10-13 mol·L-1,硝酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比为0.1 mol·L-1∶10-13 mol·L-1=1012,故C错误;硝酸抑制了水的电离,pH越大,水的电离程度越大,所以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+)的倍,故D错误。

2.(2021·重庆凤鸣山中学期中)把80 mL NaOH溶液加到120 mL的HCl溶液中,所得溶液的pH为2,如果混合前两溶液的浓度相同,则它们的浓度是(　C　)

A.0.5 mol·L-1 B.0.01 mol·L-1

C.0.05 mol·L-1 D.1 mol·L-1

解析:设混合前氢氧化钠溶液和HCl溶液的浓度都为a mol·L-1,由题意可得

=

0.01 mol·L-1,解得a=0.05,故选C。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为pH=7的溶液显中性,其实pH=7的溶液显中性的前提是25 ℃,若非25 ℃条件下,pH=7的溶液可能显酸性(低于25 ℃),也可能显碱性(高于25 ℃)。

2.误认为pH试纸只要用蒸馏水润湿测量结果一定不准确,其实pH试纸用蒸馏水润湿,如果是酸、碱溶液,则溶液相当于稀释了,其pH会分别偏大、偏小,但如果待测溶液本身就是中性的,则无论如何稀释,其pH都不受影响。

3.误认为酸、碱溶液计算pH时一定会忽略水电离出的H+或OH-,其实如果酸、碱溶液浓度极小,小于纯水电离出的H+或OH-浓度(25 ℃时为10-7 mol·L-1),则此时一般会忽略酸、碱电离出的H+或OH-。

4.误认为c(H+)或c(OH-)增大,则酸性或碱性一定增强。其实溶液酸碱性是由c(H+)与c(OH-)的“相对大小”关系决定的,c(H+)或c(OH-)增大,溶液酸碱性不一定增强,比如蒸馏水加热,水的电离平衡正向移动,c(H+)、c(OH-)均增大,但此时仍为中性。