pH的計算是化學中一類典型計算題。這類題能有效地測試考生的判斷、推理、運算等思維能力。下面就有關溶液pH的計算類型進行探討和歸納。
一、定義型(指單一溶質的溶液pH的計算)pH值的定義式為pH=-lgc(H+)。解題的關鍵是求各種情況下的c(H+):對於濃度為c的酸(HnA),當其為強酸時:c(H+)=nc;當其為弱酸時,c(H+)=ac(a為電離程度);對於濃度為c的鹼(B(OH)n,當其為強鹼時,c(OH-)=nc;c(H+)=10-14/(nc),再根據水的離子積求c(H+)。當酸電離的氫離子(或鹼電離的氫氧根離子)濃度較大時,可以忽略水電離的氫離子(或氫氧根離子);在濃度極低的酸鹼溶液中,不能忽略水電離的氫離子和氫氧根離子濃度。
例1:0.1mol/L的酸溶液的pH值
A、=1;
B、≥1;
C、≤1;
D、無法確定
解析:當酸為強酸時,為一元強酸,c(H+)=0.1mol/L,則pH=1;為二元強酸,c(H+)=0.2mol/L,則pH<1;為一元弱酸,c(H+)<0.1mol/L,則pH>1。因此,正確答案為D
二、稀釋型(指單一溶質加水稀釋)由於稀釋前後酸或鹼的物質的量不變,根據c1V1=c2V1求出稀釋後氫離子(酸溶液)或氫氧根離子(鹼溶液)的濃度,進而計算出pH值。上述計算比較繁瑣,可以採用下面的經驗規律:①pH=a強酸的稀釋10n後pH=a+n;pH=a弱酸稀釋10n後a<pH<a+n;若酸的溶液無限稀釋,則無論酸的強弱,pH一律接近於7。②若為鹼:pH=a的強鹼稀釋10n後pH=a-n;pH=a的弱鹼稀釋10n後a-n<pH<a;若鹼的溶液無限稀釋,則無論鹼的強弱,pH一律接近於7。
例2:下列六種情況下的pH分別為多少?
(1)pH=2的HCl溶液稀釋1000倍,所得溶液的pH()
(2)pH=2的CH3COOH溶液稀釋1000倍,所得溶液的pH()
(3)pH=2的HCl溶液稀釋100倍,所得溶液的pH()
(4)pH=11的NaOH溶液稀釋100倍,所得溶液的pH()
(5)pH=11的NH3·H2O溶液稀釋100倍,所得溶液的pH()
(6)pH=10的NaOH溶液稀釋100倍,所得溶液的pH()
解析:應用上述方法,不難得出正確答案分別為:5;2<pH<5;7;9;9<pH<11;7。
三、溶液混合型同性溶液混合的實質是同種離子存在量的積累,可以按照溶液混合公式cV=c1V1+c2V2]計算出混合液的氫離子(酸混合)或氫氧根離子濃度。此外還存在一些經驗規律:①當兩種強酸溶液的pH相差2及以上,且等體積混合時,pH(混)=pH(小)+0.3;②當兩種強鹼溶液的pH相差2及以上,且等體積混合時:pH(混)=pH(大)-0.3。
異性溶液混合的實質是異種粒子相互抵消,因此首先判斷酸或鹼的過量情況,再根據過量情況計算剩餘氫離子(酸過量)或者氫氧根離子(鹼過量)濃度,再計算溶液的pH值;若剛好中和,則溶液的pH=7。
當pH=a的強酸和pH=b的強鹼,體積分別為V(酸)和V(鹼),混合後溶液呈中性,根據n(H+)=n(OH-)可以得到10-a×V(酸)=(10-14/10-b)×V(鹼),整理得到V(酸):V(鹼)=10a+b-14
例3:25℃時,有pH為a的鹽酸和pH為b的NaOH溶液,取該鹽酸1體積同該NaOH10體積溶液中和,剛好溶液中c(Na+)=c(Cl-)。則a+b=( )
解析:解題的關鍵是抓住中性溶液中:n(H+)=n(OH-),則有10-a×1=(10-14/10-b)×10,得出10-a=10-13+b∴a+b=13。
例5:100℃(Kw=1.0×10-12)時,若10體積的某強酸與1體積的某種強鹼溶液混合後溶液呈現中性,則混合前,該強酸的pH與強鹼的pH之間應滿足的關係是 。
解析:首先我們要注意題幹的溫度是100℃。由題意可以得到,10體積的酸與1體積的鹼混合呈現中性,說明鹼的物質的量的濃度是酸的10倍,由上述規律可知10n-12=10,即n-12=1 即n=13。
四、混合液酸鹼性的判斷在已知混合前溶液濃度的條件下,可以根據酸鹼反應的方程式計算得到的產物,生成物溶液的酸鹼性也就是混合液的酸鹼性。混合液酸性與所得產物的水解相關,酸鹼性判斷取決於酸鹼的強弱,同強顯中性,誰強顯誰性。如0.1mol/L的鹽酸和0.1mol/L的氫氧化鈉溶液等體積混合,根據化學方程式計算得到生成氯化鈉溶液,因此溶液呈酸性。
在解題的過程中經常會遇到a+b=n型強酸強鹼混合的情況。對於強酸或者強鹼來說,pH值和濃度之間可以進行換算。雖然弱酸或弱鹼的濃度和pH值之間也存在著固定的換算關係,但是這超出了中學化學的考試範圍。因此酸和鹼混合可以根據以下的經驗規律,pH=a的酸和pH=14-a的鹼等體積混合後,混合液的酸鹼性同電離較弱的物質有關;如pH=2的HCl與pH=12的NH3·H2O溶液等體積混合後,溶液顯鹼性;pH=2的CH3COOH溶液與pH=12的NaOH溶液等體積混合後,溶液顯酸性。