第3章 水溶液中的离子平衡
3.2.2 溶液的酸碱性与pH
1.回答下列问题:
(1)25 ℃时,pH=3的盐酸中由水电离出的c(H+)是pH=5的盐酸中由水电离的c(H+)的________倍。
(2)25 ℃时,某溶液由水电离出的c(H+)=1×10-12 mol·L-1,则该溶液的pH可能为________。
(3)99 ℃时,向pH=6的蒸馏水中加入NaHSO4晶体,保持温度不变,测得溶液的pH=2。此时水的离子积Kw=________,水电离出的c(H+)=________,溶液中c(Na+)________(填“>”“=”或“<”)c(SO)。
(4)25 ℃时,将a mol·L-1的氨水与0.01 mol·L-1盐酸等体积混合,反应后溶液中c(NH)=c(Cl-),则溶液显________(填“酸”“碱”或“中”)性。
(5)25 ℃时,pH=3的醋酸和pH=11的NaOH溶液等体积混合后,溶液呈________(填“酸”“中”或“碱”)性,溶液中c(Na+)________(填“>”“=”或“<”)c(CH3COO-)。
【答案】(1)10-2
(2)2或12
(3)1.0×10-12 1.0×10-10 mol·L-1 =
(4)中
(5)酸 <
【解析】(1)25 ℃时,pH=3和pH=5的盐酸中水电离出的c(H+)的比值为∶=10-2。
(2)水电离出的c(H+)水=c(OH-)水,若为碱性溶液,则c(OH-)·c(H+)水=Kw=10-14,c(OH-)==10-2 mol·L-1,pH=12;若为酸性溶液,则c(OH-)=c(H+)水=10-12 mol·L-1,c(H+)==10-2 mol·L-1,pH=2。
(3)由pH=6的蒸馏水可知,该温度下水电离产生的c(H+)=c(OH-)=1.0×10-6 mol·L-1,故此时Kw=1.0×10-12。水电离产生的c(H+)==1.0×10-10 mol·L-1。根据原子守恒知溶液中c(Na+)=c(SO)。
(4)根据电荷守恒可知c(H+)=c(OH-),溶液显中性。
(5)pH=3的CH3COOH和pH=11的NaOH溶液等体积混合,溶液中剩余CH3COOH。溶液显酸性,c(H+)>c(OH-),根据电荷守恒知c(Na+)2.计算25℃时下列溶液的pH:
(1)pH=2的盐酸加水稀释100倍,pH=____。
(2)0.001mol/L的盐酸,pH=___。
(3)0.01mol/L的NaOH溶液,pH=____。
(4)0.015mol/L的硫酸与0.01mol/L的NaOH溶液等体积混合,混合溶液的pH=___。
(5)pH=2的盐酸和pH=12氢氧化钠等体积混合后溶液的pH=___
【答案】(1)4
(2)3
(3)12
(4)2
(5)7
【解析】25℃时:Kw=c(OH-)×c(H+)=10-14,结合pH=- lgc(H+)计算。
【详解】(1)pH=2的盐酸溶液中c(H+)=10-2mol/L,加水稀释100倍,溶液中c(H+)=10-4mol/L,pH=4;
(2)0.001mol/L的盐酸溶液中c(H+)=10-3mol/L,pH=3;
(3)0.01mol/L的NaOH溶液c(OH-)=10-2mol/L,根据Kw=c(OH-)×c(H+)=10-14得溶液中c(H+)=10-12mol/L,pH=12;
(4)0.015mol/L的硫酸与0.01mol/L的NaOH溶液等体积混合,设溶液的体积均为1L,所得混合溶液中的c(H+)=(0.015mol/L×1L×2-0.01mol/L×1L)÷2L=10-2mol/L,pH=2;
(5)pH=2的盐酸溶液中c(H+)=10-2mol/L,pH=12氢氧化钠中c(OH-)=10-2mol/L,等体积混合后溶液呈中性,pH=7。
3.氨水是氨气的水溶液,主要用作化肥。现有25℃时0.1 mol/L的氨水,请回答以下问题:
(1)若向氨水中加入少量硫酸铵固体,此时溶液中的c(NH4+)_________,溶液的pH_________(填“增大”“减小”“不变”)。
(2)若向氨水中加入稀硫酸,使其恰好中和,写出反应的离子方程式:____________;所得溶液的pH_________7(填“>”、“<”或“=”),用离子方程式表示其原因________。
(3)若向氨水中加入pH=1的硫酸,且氨水与硫酸的体积比为1:1,则所得溶液中各离子的物质的量浓度由大到小的顺是_______
(4)实验室可用向浓氨水中加入CaO的方法制取氨气,从氨水中存在的平衡入手分析产生NH3的原因:__________
【答案】(1)增大 减小
(2)NH3·H2O+H+=NH4++H2O < NH4++H2ONH3·H2O+H+
(3)c(H+)>c(SO42-)>c(NH4+)>c(OH-)
(4)NH3(g)+H2O(l)NH3·H2O(aq)NH4+(aq)+ OH-(aq),加入CaO后温度升高,OH-浓度增大,平衡逆向移动,NH3逸出
【解析】(1)硫酸铵电离出NH4+而导致溶液中c(NH4+)增大,结合一水合氨电离平衡分析溶液中c(OH-),再根据水的离子积常数及pH与溶液中c(H+)关系分析判断;
(2)根据酸、碱发生中和反应的物质的量关系,结合电解质强弱书写离子方程式,产生的盐(NH4)2SO4是强酸弱碱盐,利用盐的水解规律,结合溶液中c(OH-)、c(H+)关系分析;
(3)pH=1的硫酸中c(H+)=0.1 mol/L,二者等体积混合,恰好完全反应生成硫酸氢铵,结合盐的电离、铵根离子水解可知导致溶液呈酸性,分析比较溶液中离子浓度关系;
(4)根据CaO与水反应,消耗溶剂,反应放出热量,从温度、物质的浓度改变分析平衡移动。
【详解】(1)氨水是氨气的水溶液,存在电离平衡:NH3·H2ONH4++H+,向氨水中加入(NH4)2SO4,盐电离产生NH4+,使溶液中c(NH4+)增大,对电离平衡起抑制作用,导致NH3·H2O电离程度减小,最终达到平衡时溶液中c(OH-)减小,由于温度不变,Kw不变,所以溶液中c(H+)增大,由于pH=-lgc(H+),所以溶液pH减小;
(2)向氨水中加入硫酸,二者发生中和反应产生(NH4)2SO4和水,反应的离子方程式为:NH3·H2O+H+=NH4++H2O;由于(NH4)2SO4是强酸弱碱盐,在溶液中NH4+发生水解反应:NH4++H2ONH3·H2O+H+,破坏了水的电离平衡,最终达到平衡时溶液中c(H+)>c(OH-)溶液显酸性,所以溶液的pH<7;
(3)若向氨水中加入pH=1的硫酸,且氨水与硫酸的体积比为1:1,则二者恰好发生反应产生NH4HSO4,盐在溶液中发生电离作用:NH4HSO4=NH4++H++SO42-,在溶液中NH4+发生水解反应:NH4++H2ONH3·H2O+H+,使c(NH4+)减小,小于c(SO42-);c(H+)增大,大于c(SO42-);根据水的离子积常数不变,可知c(OH-)减小,而c(SO42-)不变,盐电离作用远大于水电离作用,所以c(NH4+)>c(OH-);故溶液中各种离子浓度关系为:c(H+)>c(SO42-)>c(NH4+)>c(OH-);
(4)氨水中存在平衡:NH3(g)+H2O(l)NH3·H2ONH4++H+,向其中加入CaO,会发生反应:CaO+H2O=Ca(OH)2,消耗溶剂水,使平衡逆向移动,CaO与水的反应是放热反应,会使溶液温度升高,加快NH3·H2O分解放出NH3;且Ca(OH)2是强碱,电离产生OH-,使溶液中c(OH-)增大,也会使平衡逆向移动,导致NH3逸出。
【点睛】本题考查了氨水的电离平衡的影响因素及盐的水解规律的应用。在弱电解质溶液中存在电离平衡,主要以电解质分子存在,也受温度、浓度、溶液酸碱性影响;盐的水解规律是:有弱才水解,谁弱谁水解,谁强显谁性,盐的水溶液中存在的水解平衡同样受外界条件影响,决定性因素是物质构成本身,化学平衡移动原理适用于任何平衡体系中的平衡,外界条件只能减弱这种改变,不能抵消这种变化趋势。
4.现有室温下浓度均为 1×10-3 mol·L-1 的几种溶液:①盐酸、②硫酸、③醋酸、④氯化铵、⑤氨水、⑥NaOH 溶液。回答下列问题:
(1)上述 6 种溶液中,水电离出的 c(H+)最大的是_____(填序号,下同),最小的是_____。
(2)将③、⑥混合后,若溶液呈中性,则消耗两溶液的体积为③_______⑥(填“>”“<”或 “=”)。
(3)将等体积的①、⑤混合,则溶液的 pH__7(填“>”“<”或“=”),用离子方程式说 明其原因:_______。
(4)向相同体积的①、②、③溶液中分别加入相同的且足量的锌粒,反应的初始速率由快到慢的顺序为_____,最终产生 H2 总量的关系为_____(用“>”或“=”连接)。
(5)向相同体积的①、③溶液中分别加入相同浓度、相同体积的CH3COONa溶液,充分混合后,混合液的 pH 大小关系为①_______③(填“>”“<”或“=”,下同)。
(6)若将等体积的⑤、⑥溶液加热至相同温度后,溶液的pH大小关系为⑤______⑥
【答案】(1)④ ②
(2)>
(3)< NH4++H2ONH3·H2O+H+
(4)②①③ ②>①=③
(5)<
(6)<
【解析】(1)酸或碱的电离抑制水的电离,盐类的水解促进水的电离;
(2)强碱弱酸盐溶液显碱性,据此分析;
(3)一水合氨为弱碱,铵盐水溶液中存在铵根的水解;
(4)氢离子浓度越大,反应速率越快;氢离子的物质的量越多,生成的氢气越多;
(6)升高温度促进一水合氨的电离,但依然不能完全电离,且会使氨水挥发出氨气。
【详解】
(1)盐酸、硫酸、醋酸、NaOH、一水合氨的电离抑制水的电离,氯化铵溶液中铵根的水解促进水的电离,所以水电离出的c(H+)最大的是④,浓度均相等,但硫酸为二元酸,所以硫酸电离出的氢离子更多,对水的电离抑制作用更大,所以水电离出的c(H+)最小的是②;
(2)醋酸为弱酸,若二者等体积混合得到的溶液溶质为醋酸钠,醋酸钠溶液显碱性,所以若要二者混合液显中性,酸要多一些,即消耗的体积③>⑥;
(3)将等体积的①、⑤混合得到的溶液溶质为氯化铵,铵根水解:NH4++H2ONH3·H2O+H+,会使溶液显酸性,所以pH<7;
(4)因三种溶液初始浓度相同,而硫酸为二元酸,所以硫酸中氢离子浓度最大,反应速率最快,醋酸为弱酸,相同浓度下溶液中氢离子浓度小于盐酸,所以醋酸反应速率最慢,所以反应的初始速率由快到慢的顺序为②①③;硫酸为二元酸,所含氢离子的物质的量最大,所以生成的氢气最多,醋酸和盐酸所含氢离子的物质的量相同,所以产生的氢气相同,最终产生 H2 总量的关系为②>①=③;
(5)向相同体积的①、③溶液中分别加入相同浓度、相同体积的CH3COONa溶液,混合后,溶液可以看成“分别向醋酸中加入等体积的①氯化钠和③醋酸钠”,由于氯化钠溶液显中性,而醋酸钠溶液显碱性,所以充分混合后,混合液的 pH 大小关系为①<③;
(6)等体积等浓度的⑤、⑥溶液,由于一水合氨不完全电离,所以pH⑤<⑥;加热促进一水合氨电离,但其依然不能完全电离,所以pH值依然<⑥,且由于氨水加热后挥发出氨气,氨水浓度减小,溶液的pH大小关系为⑤<⑥。
【点睛】中和同浓度的一元弱酸(弱碱)和强酸(强碱),消耗的碱(酸)一样多,若使溶液呈中性,弱酸(弱碱)消耗的碱(酸)少。
5.下列关于溶液的酸碱性,说法正确的是
A.pH=7的溶液呈中性
B.中性溶液中一定有:c(H+)=1.0×10-7mol·L-1
C.c(H+)=c(OH-)的溶液呈中性
D.在100°C时,纯水的pH<7,因此显酸性
【答案】C
【解析】在100°C时,纯水的pH=6,呈中性,该温度下pH=7时溶液呈碱性,温度未知,不能根据pH大小判断溶液酸碱性,A项错误;常温下中性溶液中c(H+)=1.0×10-7 mol·L-1,温度未知,中性溶液中不一定有c(H+)=1.0×10-7 mol·L-1,B项错误;c(H+)=c(OH-)的溶液呈中性,与溶液温度高低无关,C项正确;在100°C时,纯水的pH=6,呈中性,D项错误。答案为C。
【点睛】温度未知,不能根据pH大小判断溶液酸碱性,也不能根据氢离子或氢氧根浓度来判断溶液酸碱性,只能根据c(H+)、c(OH-)相对大小来判断。
6.一定温度下,某溶液 pH=7,下列判断一定正确的是
A.该溶液呈中性 B.该溶液中 c(H+)=c(OH-)
C.该溶液中 c(H+)=10-7mol/L D.该溶液中 c(OH-)=10-7mol/L
【答案】C
【解析】常温下pH=7的溶液才是中性溶液,A项错误;常温下pH=7的溶液中才存在c(H+)=c(OH-),B项错误;pH是H+浓度的负对数所以pH=7的溶液中一定有c(H+)=10-7mol/L,C项正确;常温下pH=7的溶液中才存在c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L,D项错误。答案选C。
【点睛】pH=7的溶液不一定是中性溶液,c(H+)=c(OH-)一定是中性溶液;pH=7,溶液显中性,c(H+)=c(OH-)=10-7mol/L只有常温才适用。
7.常温下,下列溶液中酸性最强的是
A.pH=3的盐酸溶液 B.c(H+)=5×10-5 mol/L的溶液
C.c(OH-)=1×10-12 mol/L的溶液 D.0.1 mol/L的盐酸溶液
【答案】D
【解析】常温下,溶液中c(H+)最大,溶液的酸性越强。A项,pH=3的盐酸溶液中c(H+)=0.001mol/L;B项,该溶液中c(H+)=5×10-5mol/L;C项,该溶液中c(H+)==mol/L=0.01mol/L;D项,0.1mol/L的盐酸溶液中c(H+)=0.1mol/L;通过以上分析知,c(H+):D>C>A>B,所以酸性最强的是D项。答案选D。
8.对于常温下pH=1的硝酸溶液,有关叙述:
①该溶液1mL稀释至100mL后,pH=3
②向该溶液中加入等体积、pH=13的氢氧化钡溶液恰好完全中和
③该溶液中硝酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比值为1×10﹣12
④向该溶液中加入等体积、等浓度的氨水,所得溶液pH=7
其中正确的是
A.①② B.①③ C.②④ D.③④
【答案】A
【解析】pH=1的硝酸溶液c(H+)=0.1mol/L;①c=n/V==0.001mol/L,pH=3,①正确;②pH=13的溶液c(OH-)=0.1mol/L,等体积混合恰好完全中和,②正确;③硝酸电离出的c(H+)=0.1mol/L,由Kw=c(H+)×c(OH-)=10-14可知,水电离出的c(H+)=10-13mol/L,该溶液中硝酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比值为1012,③错误;④氨水为弱电解质,不能完全电离,生成强酸弱碱盐,反应后溶液呈酸性,④错误。答案选A。
9.常温下,某地土壤的pH约为8,则土壤中的c(OH-)最接近于多少mol/L
A.1×10-5 B.1×10-6 C.1×10-8 D.1×10-9
【答案】B
【解析】常温下,Kw=c(H+)×c(OH-)=10-14,则c(OH-)=10-6mol/L,答案为B。
10.已知90℃时,Kw =1.0×10-12,在90℃将pH=9的NaOH溶液与pH=4的硫酸溶液混合,若所得溶液pH=7,则NaOH溶液与硫酸溶液的体积比为
A.1:9 B.9:1 C.10:1 D.1:10
【答案】A
【解析】设氢氧化钠的体积为V1,稀硫酸的体积为V2,NaOH的浓度为c(OH-)=10-3mol/L,硫酸中c(H+)=10-4mol/L,混合后溶液的pH=7,溶液呈碱性,溶液中c(OH-)=10-5mol/L,(10-3V1-10-4V2)÷(V1+V2)=10-5,解得V1:V2=1:9,答案选A。
11.把1mL0.1mol·L-1的H2SO4加水稀释制成2L溶液,在此溶液中由水电离产生的H+,接近于
A.1×10-4mol·L-1 B.1×10-8mol·L-1
C.1×10-11mol·L-1 D.1×10-10mol·L-1
【答案】D
【解析】水中加酸或碱时,抑制水电离。当溶液稀释为2L时,硫酸电离产生的c(H+)为 ×2=1×10-4mol·L-1。c(H+)·c(OH-)=(1×10-4)·c(OH-)=1×10-14,水电离产生的c(OH-) =1×10-10mol·L-1,水电离产生的c(H+)=c(OH-),所以水电离产生的c(H+)=1×10-10mol·L-1,答案选D。
【点睛】本题考查水的电离、物质的量浓度计算,酸、碱抑制水的电离,注意理解硫酸溶液中水电离的氢离子浓度等于溶液中氢氧根浓度,培养学生的分析问题的能力。
12.pH=1的两种溶液A、B各1mL,分别加水稀释到1000mL,分别加水稀释到1000mL,其pH与溶液体积(V)的关系如图示,下列说法正确的是
①若 a<4,则A、B都是弱酸
②稀释后,A酸溶液的c(H+ )比B酸溶液c(H+ )大
③若a=4,则A是强酸,B是弱酸
④A、B两种酸溶液的物质的量浓度一定相等.
A.①④ B.②③ C.①② D.②④
【答案】C
【解析】pH=1的两种溶液A、B各1mL,分别加水稀释到1000mL,分别加水稀释到1000mL,若是强酸,则B的pH应等于4,若 a<4,则A、B都是弱酸,①正确、③错误;稀释后,由图可知,A溶液的pH小于B溶液的pH,故A酸溶液的c(H+ )比B酸溶液c(H+ )大,②正确;由于A、B酸的强弱不同,电离程度不同,等pH值时两溶液的物质的量浓度不相等,④错误。答案选C。
13.常温下pH为2的盐酸,下列叙述正确的是
A.将10mL该溶液稀释至100mL后,pH=4
B.向该溶液中加入等体积pH为12的氨水恰好完全中和
C.该溶液中盐酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比为1010:1
D.该溶液中由水电离出的c(H+)水×c(OH-)水=1×10-14
【答案】C
【解析】 将10mL该溶液稀释至100mL后,c(H+)==10-3mol·L-1,pH=3,A项错误; 向该溶液中加入等体积pH为12的氨水,由于氨水部分电离,所以盐酸完全反应后,溶液中仍含大量的氨水,B项错误;该溶液中盐酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比为10-2:10-12=1010:1,C项正确;该溶液中由水电离出的c(H+)水×c(OH-)水=10-12×10-12=1×10-24,D项错误。答案选C。
14.如图为不同温度下水的电离平衡曲线,已知pOH=?lgc(OH?),下列说法正确的是
A.T1和T2的关系是:T1>T2
B.KW的关系是:B>C>A=D=E
C.A点到D点:加入少量酸可实现
D.T2时:pH=2的硫酸与pH=12的NaOH溶液等体积混合,溶液呈中性
【答案】C
【解析】水的电离是吸热反应,升高温度促进水电离,则水的离子积常数增大,根据图片知,Kw中A>B,则T1<T2,A项错误;相同温度下,水的离子积常数相同,温度越高,水的离子积常数越大,根据图片知,离子积常数A=E=D>C>B,B项错误;A点到D点是等温线,离子积常数不变,溶液的碱性减弱、酸性增强,所以A点到D点:加入少量酸可实现,C项正确;水的离子积常数未知,无法计算NaOH中氢氧根离子浓度,等体积混合,酸中氢离子、碱中氢氧根离子物质的量不一定相等,溶液酸碱性无法判断,如果是常温下,pH=2的硫酸与pH=12的NaOH溶液等体枳混合,溶液呈中性,D项错误。答案选C。
15.回答下列有关水溶液的问题:
(1)下列两种溶液中,室温下由水电离生成的H+浓度之比(①:②)是________
①pH=1的盐酸 ②0.01 mol/L的NaOH溶液
(2)已知水在25℃和95℃时, 水的电离平衡曲线如图所示:
①在25℃时, 水的电离平衡曲线应为____(填“A"或“B");95℃时水的离子积 Kw=_____
②25℃时,将pH=9的Ba(OH)2溶液与pH=4的H2SO4溶液混合,若所得混合溶液的pH=7,则Ba(OH)2溶液与H2SO4溶液的体积比为________
③曲线B对应温度下,pH=2的盐酸溶液和pH=11的氢氧化钠溶液按体积比9:1混合,溶液的pH=_____
④常温下,将一小块金属钠投入100mL0.15mol/L的CuCl2溶液中,收集到产生气体的体积为1.456L(标准状况下),此时溶液体积仍为100mL,反应后溶液的pH=____
【答案】(1)1:10
(2)①A 10-12 ②10:1 ③9 ④14
【解析】(1)酸溶液中水电离产生氢离子的浓度等于溶液中氢氧根离子浓度,碱溶液中氢离子全部来自与水的电离;
(2)①曲线A条件下,kw=c(H+)c(OH-)=10-7×10-7=10-14,曲线B条件下,kw=c(H+)c(OH-)=10-6×10-6=10-12,水的电离是吸热过程,据此分析;
②25℃时,所得混合溶液的pH=7,溶液显中性,酸碱恰好中和,据此计算;
③曲线B对应温度下,pH=2的盐酸溶液和pH=11的氢氧化钠溶液按体积比9:1混合,碱过量,算出剩余氢氧根离子的浓度,再计算氢离子的浓度;
④将钠投入CuSO4溶液中,钠先和水反应生成氢氧化钠和氢气,方程式为:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,标况下1.456L氢气的物质的量为=0.065mol,生成的氢氧化钠和CuSO4发生复分解反应,2NaOH+CuSO4=Na2SO4+Cu(OH)2↓,据此分析解答。
【详解】(1)酸溶液中水电离产生氢离子的浓度等于溶液中氢氧根离子浓度,室温下pH=1的盐酸中氢氧根离子的浓度是10-13mol/L,碱溶液中氢离子全部来自与水的电离,室温下0.01 mol/L的NaOH溶液中氢离子的浓度是10-12mol/L,由水电离生成的H+浓度之比(①:②)是10-13mol/L:10-12mol/L=1:10;
(2) ①曲线A条件下,kw=c(H+)c(OH-)=10-7×10-7=10-14,曲线B条件下, kw=c(H+)c(OH-)=10-6×10-6=10-12,水的电离是吸热过程,加热促进电离,所以A曲线代表25℃时水的电离平衡曲线,95℃时水的离子积 Kw= c(H+)c(OH-)=10-6×10-6=10-12;
②25℃时时所得混合溶液的pH=7,kw=c(H+)c(OH-)=10-7×10-7=10-14,溶液呈中性即酸碱恰好中和,即n(OH?)=n(H+),则V(Ba(OH)2)?10?5mol?L?1=V(H2SO4)?10?4mol?L?1,得V(Ba(OH)2):V(H2SO4)=10:1;
③曲线B对应温度下,pH=2的盐酸溶液和pH=11的氢氧化钠溶液按体积比9:1混合,碱过量,c(OH-)==10-3,c(H+)===10-9,pH=9;
④由将钠投入CuSO4溶液中,钠先和水反应生成氢氧化钠和氢气,生成的氢氧化钠和CuSO4发生复分解反应,方程式为:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,2NaOH+CuSO4=Na2SO4+Cu(OH)2↓,所以溶液中剩余氢氧化钠的物质的量为:0.065mol×2-0.15mol/L×0.1L×2=0.1mol,则氢氧根浓度为0.1mol÷0.1L=1mol/L,氢离子浓度为10?14mol/L,所以反应后溶液的pH=14。
【点睛】水是弱电解质,电离过程是吸热过程,升高温度促进电离,电离程度增大,水的离子积常数增大。