[北科大]无机化学实验：1 酸碱反应和沉淀反应 (实验报告)

无机化学实验报告

【实验名称】实验一：酸碱反应和沉淀反应

【班级】 【日期】

【姓名】 【学号】

一、实验目的

○1通过实验证实水溶液中的酸碱反应、沉淀反应存在着化学平衡及平衡移动的规则——同离子效应、溶度积规则等。

○2学习验证性实验的设计方法。

○3学习对实验现象进行解释,从实验现象得出结论等逻辑手段。

二、实验原理

(1)按质子理论,酸、碱在水溶液中的解离和金属离子、弱酸根离子在水溶液中的水解均为酸碱反应。弱酸、弱碱的解离和金属离子、弱酸根离子的水解均存在着化学平衡。如一元弱酸的解离HA == H + + A -,其平衡常数称弱酸的解离常数,记作K θa ,其表达式为:

[c (H +)/c θ][c(Ac -)/ c θ]

K θa (HAc) = ————————————— （3-1）

[c(HAc)/ c θ]

c (H +) c(A -)

解离度 α = ——— ⨯ 100% = ——— ⨯ 100% （3-2） c(HA) c(HA)

从平衡移动的观点,可以了解当溶液增加c(A -)或c(H +),使平衡向左移动,使弱酸的解离度降低,即当增加c(H +),使c(A -)降低,当增加c(A -)则c(H +)降低。 金属离子与水的酸碱反应,即水解反应,就像多元酸的解离是分步进行的。例如Al 3+(aq)的水解：

Al 3+(aq) + H 20 === Al(OH)2+(aq) + H +(aq)

Al(OH)2+(aq) + H 20 === Al(OH)2+(aq) + H +(aq)

Al(OH)2+(aq) + H 20 === Al(OH)3(s) + H +(aq)

值得注意的是有的金属离子的水解,并不是要水解到相应的氢氧化物才生成沉淀,而是水解到某一中间步骤,就生成了碱式盐沉淀。如Sb 3+(aq)的水解: 第一步 Sb 3+(aq) + H 20 === Sb(OH)2+(aq) + H +

第二步 Sb(OH)2+(aq) + Cl -(aq) === SbOH 2+(s) + H +

这类反应同样也存在平衡,当增加溶液中c(H +),则可抑制水解,当减少溶液中c(H +)(pH 增大),则可促进其水解。

一般来说,酸碱反应的反应速率是相当快的,极易到达平衡。所以从平衡角度来考察这类反应就行了。

(2)难溶电解质在水溶液中存在着溶解沉淀平衡。对于难溶的AB 型电解质,有下列平衡：

AB(s) ======溶解/沉淀

A n+(aq) +

B n-(aq)

其平衡常数称为溶度积,记作Kθsp (AB)。当溶液中离子积J=[c (A n+)/cθ][c(B n-)/ cθ]大于Kθsp (AB)时,反应向逆方向进行,生成沉淀。当J小于Kθsp (AB)时,反应向正方向进行,沉淀溶解。当J等于Kθsp (AB)时,该溶液是这难溶物的饱和溶液.

当一混合溶液中几种离子均可与同一种物种生成沉淀时,滴加该物种的溶液,则先生成沉淀的离子是该离子的浓度与溶液中沉淀剂浓度乘积先达到Kθsp的。

例如溶液中含有Cu2+、Cd2+,当滴加Na

2

S溶液时,哪个离子先生成硫化物沉淀呢?可先作下列平衡计算:设溶液Cu2+与Cd2+浓度均为0.1mol/L,并取等体积的Cu2+、Cd2+ 溶液混合均匀,查得Kθsp (CuS) = 6.3×10-36, Kθsp (CdS) = 8.0×10-27。

生成CuS的条件: J = [c (Cu2+)/cθ][c(S2-)/ cθ]≥ Kθsp (CuS)，则c(S2-)≥

1.3×10-34 mol/L

生成CdS的条件: J = [c (Cd2+)/cθ][c(S2-)/ cθ]≥ Kθsp (CdS)，则c(S2-)≥

1.6×10-25 mol/L

由此可知,当滴加Na

2S溶液时,混合溶液中Cu2+先与Na

2

S作用生成CuS沉淀。

再考虑当CdS开始沉淀时,溶液中残留的Cu2+浓度为多少?从上述计算已知,

CdS开始沉淀时溶液中c(S2-)=1.6×10-25mol/L。当c(S2-)=1.6×10-25mol/L时,溶液中c(cu2+)为:

Kθsp (CuS)/cθ 6.3×10-36

c(cu2+) = —————= ——————mol/L = 3.9×10-11 mol/L

c(S2-)/ cθ 1.6×10-25

即溶液中的Cu2+应视为已完全沉淀。

这样似乎可以得出结论,用Na

2

S作沉淀剂可将Cu2+与Cd2+完全分离。但实验发

现并非如此,在CuS沉淀中夹带有CdS沉淀。滴加Na

2

S时,虽然有搅拌,但由于c(S2-)≥1.6×10-25mol /L,所以在局部区域中CuS与CdS将同时生成。但只要溶液中还有Cu2+则会发生如下反应:

CdS(s) + Cu2+(aq) === Ca2+(aq) + CuS(s)

而这个反应的总反应速率不大(可能由于包藏的原因),当不断滴加Na

2

S时又不断有CdS生成,所以在Cus沉淀中总有Cds沉淀。于是出现了以下两个问题。

○1平衡计算有没有用?平衡计算是根据给定反应条件(温度、浓度、压力等)计算出其平衡状态,如上述计算表明,在298K, 100kPa下,平衡状态时的溶液中c(cu2+)=3.9×10=mol/L, c(Cd2+)=0.05mol/L, c(S2-)=1.6×10-25mol/L。平衡状态是该反应在给定条件下可进行的限度——最大程度。不是每一个反应在给定条件下都能达到平衡状态的。当反应进行得“比较好”,反应实际进行的程度比较接近限度。若反应进行得“不太好”,反应实际的进行程度离限度远一点。所以“限度”是一目标,要不断改进反应条件(动力学条件)使实验结果尽可能接近限度。

○2怎样改善反应条件、操作方法,使得反应尽可能接近反应的限度呢?理论上讲是怎样改善操作方法,使反应尽量达到平衡状态,也就是怎样加快反应速率。

加快反应速率首先要判别反应的类别,是均相反应还是多相反应?对于多相反应,加快扩散速率及增加反应界面可加快反应的总反应速率。在实验中增加扩散速率和增加反应界面最有效的办法之一是增加搅拌强度,即加强搅拌。

实践证明,加强搅拌可以减少CuS中混有的CdS。