溶液计量Solution Stoichiometry

大思想 · 数量与比例(SPQ)AP 科学实践 5 · 数学运算AP 衔接 · Unit 4约 45 分钟

学习目标

  • 在化学方程式计算中,用 n = cV 在溶液的体积、浓度和物质的量之间换算
  • 计算溶液中沉淀反应生成沉淀的质量,并判断哪种反应物过量
  • 读出滴定管的读数,由酸碱中和滴定的数据求未知溶液的浓度

前置知识

  • 计量计算(摩尔比)(2.6.5)
  • 离子方程式与净离子方程式(2.7.4)
  • 摩尔浓度(2.9.2)

恰好中和需要多少碱?

1.8.5 节用酚酞判断 NaOH 和盐酸恰好完全反应。现在要回答“需要多少”:一瓶盐酸的浓度不知道,用已知浓度的 NaOH 溶液去中和它,记下恰好中和时用了多少毫升,就能算出盐酸的浓度。这种方法叫滴定。它靠的是本节的溶液计量。

溶液里的摩尔桥

2.6.5 节的“摩尔桥”是:已知物质的质量 → 物质的量 → 按化学计量数之比 → 所求物质的物质的量 → 质量。2.8.6 节在桥的两端接上了气体体积(n = V/Vm)。溶液反应只要再接上一种换算:

n=c⋅Vn = c \cdot V
  1. 把已知的量换算成物质的量:溶液用 n = cV,固体用 n = m/M,气体用 n = V/Vm。
  2. 按化学计量数之比,求所求物质的物质的量。
  3. 再换算成所求的量:溶液的体积 V = n/c,浓度 c = n/V,质量 m = nM。

溶液中的反应实际上是离子之间的反应(2.7.4 节)。计算时用化学方程式还是离子方程式都可以,只要物质的量之比对。

选一个反应,试试已知溶液求沉淀的质量、求要加多少毫升另一种溶液;再切换到“两种溶液混合”,看哪种反应物不足:

动手试试:溶液中的化学计量(cV ⇄ n ⇄ m)
已知
求

    两种溶液混合:谁过量?

    两种溶液混合时,先分别算出两种反应物的物质的量,再按化学计量数之比找出不足的那种(2.6.6 节),用它来计算产物。过量的反应物有剩余,留在溶液里。

    酸碱中和滴定

    用已知浓度的酸(或碱)来测定未知浓度的碱(或酸)的方法,叫做酸碱中和滴定acid–base titration。已知准确浓度的溶液叫标准溶液standard solution。

    • 滴定管: 0 刻度在上方,越往下读数越大,最小分度 0.1 mL,读数时要估读到 0.01 mL。用掉的溶液体积 = 终读数 − 初读数。
    • 指示剂: 用 NaOH 滴定盐酸时常用酚酞。开始时溶液无色;滴入的碱在局部使溶液变红,振荡后褪去;当溶液由无色变为浅红色,且半分钟内不褪色时,就到达了滴定终点end point。
    • 计算: 恰好中和时,酸提供的 H⁺ 和碱提供的 OH⁻ 物质的量相等。用 NaOH 滴定盐酸时:
    c(HCl)=c(NaOH)⋅V(NaOH)V(HCl)c(\text{HCl}) = \frac{c(\text{NaOH}) \cdot V(\text{NaOH})}{V(\text{HCl})}

    人教版选择性必修 1 第三章会系统地讲中和滴定,包括滴定曲线和误差分析。这里先学会计算。

    滴定管的刻度方向和量筒相反,俯视、仰视造成的误差方向也相反。拖动滑块试一试:

    动手试试:选一种仪器,拖动滑块改变视线高度
    2122232425↑ 0 刻度在上面
    仰视平视俯视

    结论滴定管的 0 刻度在上面。读数时俯视读数偏小,仰视读数偏大,和量筒正好相反。

    原因滴定管的刻度从上往下越来越大。俯视时视线碰到外壁上更高处的刻度,那里的数值更小,所以读数偏小。

    动手滴一次:先 5 mL、1 mL 地加,粉红色褪得越来越慢时,改成一滴一滴地加。到终点后,从放大的刻度上读出终读数,算出酸的浓度:

    动手试试:酸碱中和滴定
    待测的酸

    放大的刻度
    滴入

    初读数
    终读数 mL

      本节用高中课本常给的相对原子质量(H 1、O 16、Na 23、S 32、Cl 35.5、Cu 64、Ag 108、Ba 137)。

      和美国教材的不同

      • 美国教材把滴定管里的溶液叫 titrant(滴定剂),锥形瓶里被测的溶液叫 analyte(待测液)。
      • 美国教材明确区分 equivalence point(化学计量点:酸和碱恰好按化学计量数之比完全反应)和 end point(指示剂变色、停止滴定的那一点),并要求选择指示剂时让两者尽量接近。人教版在必修阶段只讲滴定终点。
      • 美国教材的计算常写成“M × V = mol”,体积直接用 L;中文的计算写作 n = cV。两者是一回事。

      例题 1:生成多少氯化银?

      将 50.0 mL 0.100 mol/L AgNO₃ 溶液与 20.0 mL 0.200 mol/L NaCl 溶液混合。生成 AgCl 沉淀多少克?哪种反应物过量,剩余多少?

      AgX++ClX−→AgCl↓\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl v}
      分步解析
      1. 各自的物质的量。 n = cV,体积换成 L:

        n(AgNOX3)=0.100×0.0500=5.00×10−3 moln(NaCl)=0.200×0.0200=4.00×10−3 mol\begin{aligned} n(\ce{AgNO3}) &= 0.100 \times 0.0500 \\ &= 5.00 \times 10^{-3}\ \text{mol} \\ n(\ce{NaCl}) &= 0.200 \times 0.0200 \\ &= 4.00 \times 10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned}
      2. 找出不足的反应物。 由离子方程式,Ag⁺ 和 Cl⁻ 按 1 : 1 反应。Cl⁻ 只有 4.00 × 10⁻³ mol,比 Ag⁺ 少,所以 NaCl 不足,AgNO₃ 过量。生成物的量由不足的 NaCl 决定。

      3. 沉淀的质量。 n(AgCl) = n(NaCl) = 4.00 × 10⁻³ mol,M(AgCl) = 108 + 35.5 = 143.5 g/mol:

        m=4.00×10−3×143.5=0.574 g\begin{aligned} m &= 4.00 \times 10^{-3} \times 143.5 \\ &= \boxed{0.574\ \text{g}} \end{aligned}
      4. 剩余的 AgNO₃。 用去的 AgNO₃ 和 NaCl 一样多:

        n=5.00×10−3−4.00×10−3=1.00×10−3 mol\begin{aligned} n &= 5.00 \times 10^{-3} - 4.00 \times 10^{-3} \\ &= \boxed{1.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}} \end{aligned}
      5. 再进一步。 混合后溶液约 70.0 mL(体积近似相加),剩余的 Ag⁺ 浓度约为 1.00 × 10⁻³ mol ÷ 0.0700 L = 0.0143 mol/L。

      6. 常见错误。 只看浓度:0.200 > 0.100,就以为 NaCl 过量。比较的应该是物质的量,要把体积乘进去。

      例题 2:滴定硫酸

      用 0.1000 mol/L NaOH 标准溶液滴定 25.00 mL 稀硫酸,以酚酞作指示剂。滴定管的初读数为 0.50 mL,终读数为 24.30 mL。求硫酸的物质的量浓度。

      HX2SOX4+2 NaOH→NaX2SOX4+2 HX2O\begin{aligned} &\ce{H2SO4 + 2NaOH} \\ &\ce{-> Na2SO4 + 2H2O} \end{aligned}
      分步解析
      1. NaOH 溶液的体积。 用去的体积是终读数减初读数,滴定管读到 0.01 mL:

        V=24.30−0.50=23.80 mLV = 24.30 - 0.50 = 23.80\ \text{mL}
      2. NaOH 的物质的量。

        n(NaOH)=0.1000×0.02380=2.380×10−3 mol\begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &= 0.1000 \times 0.02380 \\ &= 2.380 \times 10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned}
      3. 按化学计量数之比。 H₂SO₄ 和 NaOH 按 1 : 2 反应:

        n(HX2SOX4)=12×2.380×10−3=1.190×10−3 mol\begin{aligned} n(\ce{H2SO4}) &= \tfrac{1}{2} \times 2.380 \times 10^{-3} \\ &= 1.190 \times 10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned}
      4. 硫酸的浓度。

        c(HX2SOX4)=1.190×10−30.02500=0.04760 mol/L\begin{aligned} c(\ce{H2SO4}) &= \frac{1.190 \times 10^{-3}}{0.02500} \\ &= \boxed{0.04760\ \text{mol/L}} \end{aligned}
      5. 检查。 用的 NaOH 体积比硫酸略少,而硫酸是二元酸,所以硫酸的浓度应该比 NaOH 的一半(0.05 mol/L)略小。0.04760 mol/L 合理。

      6. 常见错误。 把终读数 24.30 mL 直接当成用去的体积,或忘了 1 : 2,算出 0.09520 mol/L。

      练一练:恰好完全反应时,需要多少毫升溶液(或浓度是多少)?
      1. 20 mL 0.1 mol/L 盐酸,需要 0.1 mol/L NaOH 溶液多少
      2. 20 mL 0.1 mol/L H₂SO₄ 溶液,需要 0.1 mol/L NaOH 溶液多少
      3. 20 mL 0.2 mol/L 盐酸,需要 0.4 mol/L NaOH 溶液多少
      4. 25 mL 盐酸恰好被 25 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液中和,求 c(HCl)
      5. 20 mL 稀硫酸恰好被 20 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液中和,求 c(H₂SO₄)
      6. 10 mL 0.2 mol/L BaCl₂ 溶液完全沉淀,需要 0.1 mol/L Na₂SO₄ 溶液多少
      7. 10 mL NaOH 溶液恰好被 20 mL 0.1 mol/L 盐酸中和,求 c(NaOH)
      8. 20 mL 0.1 mol/L CuSO₄ 溶液完全沉淀为 Cu(OH)₂,需要 0.1 mol/L NaOH 溶液多少

      常见误区

      误区 1:“滴定管的终读数就是用掉的体积。” 初读数一般不是 0,用掉的体积 = 终读数 − 初读数。还要记住滴定管的 0 刻度在上方,越往下读数越大。

      误区 2:“酸和碱恰好中和,就是它们的物质的量相等。” 要看化学计量数。H₂SO₄ 和 NaOH 按 1 : 2 反应,恰好中和时 NaOH 的物质的量是 H₂SO₄ 的 2 倍。相等的是 H⁺ 和 OH⁻ 的物质的量。

      误区 3:“看到粉红色就停止滴定。” 滴入处出现的粉红色,振荡后褪去,说明酸还没反应完;半分钟内不褪色才是终点。如果溶液变成深红色,就已经过量了,算出的酸的浓度会偏高。

      即时小测

      10.0 mL 0.100 mol/L BaCl₂ 溶液与过量的 Na₂SO₄ 溶液反应,生成 BaSO₄ 沉淀的质量为?

      用 NaOH 标准溶液滴定盐酸,滴定结束后俯视读取终读数。测得的盐酸浓度会?

      小结

      • 溶液计量在摩尔桥两端接上 n = cV:已知量 → 物质的量 → 按化学计量数之比 → 所求量。
      • 两种溶液混合时,先比较物质的量,用不足的那种反应物计算产物。
      • 酸碱中和滴定:用标准溶液测定未知浓度。读数估读到 0.01 mL,体积 = 终读数 − 初读数;酚酞由无色变为浅红色、半分钟内不褪色即为终点。
      通往 AP(以后再看)

      AP 4.5 的计量计算常从溶液出发(M × V),4.6 介绍滴定:用滴定数据求未知溶液的浓度,或者由沉淀的质量求溶液中某种离子的含量(重量分析法)。AP 8.5 会研究滴定曲线,用它判断化学计量点、选择指示剂。实验题常问:哪一步失误会使算出的浓度偏高或偏低?

      练一练这一章:2.9 · 溶液 · 10 道题

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