实验室制二氧化碳废液成分的探究及反思

时间:2022-10-03 12:37:05

实验室制二氧化碳废液成分的探究及反思

1 提出问题

二氧化碳是人们比较熟悉的一种气体,因为它是人类不可缺少的空气的成分之一。因此,无论什么版本的初中化学教材,都把二氧化碳和氧气放在一起,作为研究气体性质和制取方法的典型。实验室制取二氧化碳的原料综合各方面因素考虑,一般选择块状的大理石或石灰石和稀盐酸。在制备过程中,当反应发生装置中观察不到有气泡产生,液体不再翻滚,一般就认为反应结束了;若在反应发生装置中仍有大块状固体残留,一般就认为反应后固体有剩余,盐酸全部作用完,剩余液呈中性。

但事实是否果真如此?在大试管中加入5粒石灰石,倾倒约试管体积1/3的稀盐酸(1:1),观察不到气泡后,将反应剩余液静置一会儿,取上层清液用pH试纸测其pH值,发现pH值约为1或2,说明废液呈酸性。那废液为什么呈酸性?而此时大试管中依然有固体,难道残留的固体就是石灰石中不与盐酸反应的难溶性杂质吗?难道在这些固体中就没有碳酸钙的存在了吗?基于这些疑惑,笔者进行了相关实验,来研究石灰石与稀盐酸作用后不再有气泡产生时,废液中究竟有些什么成分?若废液呈酸性,剩余的固体成分中是否还有碳酸钙?

2 实验并对实验进行分析

2.1 实验

在大试管中加入5粒左右石灰石,倾倒约试管体积1/3的稀盐酸(1:1)。

2.2 分析

从以上实验和现象不难看出,当石灰石与稀盐酸反应时,在固体表面看不到气泡时,废液还是呈较强的酸性,原因主要有两点:一是当反应几乎停止后,废液中还残留有盐酸;二是废液中溶解有二氧化碳。

为排除二氧化碳的干扰,将废液进行加热(表1,实验1),二氧化碳逸出后,溶液仍然呈酸性,可以充分说明废液中残留有盐酸;而此时盐酸浓度已经变得很稀,反应并没有停止,只是反应速率变得极其缓慢,用肉眼观察不到气泡而已。因此,在实验后的固体残留物中再加少许稀盐酸(1:1)(表1,实验2),由于酸溶液浓度增大,反应速率加快,在残留固体表面又有大量气泡冒出。由于在反应过程中,石灰石表面的碳酸钙逐渐被盐酸所消耗,固体中的碳酸钙分布不均匀,固体表面碳酸钙的质量分数变小,使得盐酸与碳酸钙的接触面积变小,也促使反应速率变慢。

取实验后的上层清液加入未使用过的石灰石颗粒(表1,实验3),增大了碳酸钙与盐酸的接触面积,又能比较明显地观察到有细小的气泡产生。

将反应物放置2天后,取上层清液测其pH值,发现pH值接近7(表1,实验4)。这就说明只要给反应足够长的时间,虽然观察不到明显的实验现象,反应还是能够比较完全地发生。

所以实验室制取二氧化碳,当观察不到气泡时,会出现盐酸与石灰石同时过量,是因为反应尚未结束;但主要由于盐酸浓度变小,反应变得极其缓慢,肉眼很难观察到反应在发生,已经不再适合实验室制取气体。

根据实验的结果和分析,假如用质量分数为14.6%的稀盐酸100 g和足量的大理石反应,能收集得到8.8 g二氧化碳吗?答案应该是“不能”,原因:要得到8.8 g二氧化碳需要14.6 g HCl,而100 g质量分数为14.6%的稀盐酸中的HCl正好是14.6 g,14.6 g HCl是不可能在短时间内被大理石消耗完的。当盐酸浓度降到一定程度后,反应就趋于停止,不再适合制取二氧化碳了,所以要制取并收集到8.8 g二氧化碳,选择14.6%的稀盐酸的量应该大于100 g才比较符合实际情况。

3 实验延伸

2010年苏州市初中化学实验操作考查中有这样一道思考题:向制备二氧化碳的剩余液中逐滴加入饱和碳酸钠溶液直至过量,混合液中会发生哪些反应?混合液的pH将怎样变化?为此,笔者特地进行了相关实验,如表2所示。

分析:刚开始滴入碳酸钠溶液时,上层会产生白色沉淀,而下降过程中沉淀会消失且有气泡产生。原因是:在刚开始滴加的过程中,碳酸钠局部浓度大,和氯化钙反应生成白色的碳酸钙,但整个溶液酸性较强,碳酸钙在下降过程中与稀盐酸反应生成二氧化碳气体。这个过程中pH值逐渐变大,最后到7。有关反应方程式:

CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2

当盐酸消耗完后,再滴加碳酸钠溶液时,碳酸钠与氯化钙反应产生沉淀,液体不再呈酸性,在下降过程中沉淀不消失,振荡后无气泡。pH等于7维持不变。相关反应方程式:

CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl。

最后,当溶液中的氯化钙被碳酸钠作用完后,再滴加碳酸钠溶液时,没有反应发生,碳酸钠过量,上层清液中无沉淀,无气泡,pH值逐渐变大。

在2010年苏州市中考化学试卷中对本实验有所体现。

【第36题】(4)块状石灰石和适量稀盐酸反应至气泡逸出不明显后,测得其残留液pH等于2。此时取适量反应后溶液,逐滴滴入碳酸钠溶液,并用pH数字探测仪连续监测,得曲线如图1所示[pH为纵坐标,时间s(秒)为横坐标]。

①写出AB段内有关化学方程式:

②写出BC“平台”段化学方程式:

③CD段上升的原因是:

答案:

①CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2

②CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl

③碳酸钠溶液呈碱性,过量的碳酸钠使溶液碱性增强。

以上实验说明氯化钙溶液和碳酸钠溶液能发生反应生成碳酸钙,必须考虑两者所处的环境,如果在酸性环境下两者是不可能反应生成稳定的碳酸钙的。在沪教版九年级化学教材中检验葡萄糖也类似,选择的检验试剂氢氧化铜必须处于碱性环境中,否则得不到砖红色沉淀。这说明化学反应要考虑反应物所处的环境,不能脱离所处的环境。

4 实验反思

1)实验室用石灰石和稀盐酸制取二氧化碳,石灰石表面能持续产生气泡,并逐渐变慢;等到石灰石表面看不到气泡后,测得废液的pH约为2;将废液加热处理,再测pH约为3。如果在碳酸钠粉末中逐滴滴加稀盐酸,产生气泡的速率会很快,等到没有气泡产生时,测得pH约为5.6;将废液加热处理,再测pH约为7。为什么pH值会出现不同的情况?这是因为大理石难溶于水,与盐酸的接触面积有限,不能在短时间内把盐酸消耗完;而碳酸钠易溶于水,在水中以离子形式存在,大大增加了与盐酸的接触面积,所以反应速率很快且能在较短的时间内把盐酸消耗完。由此可见,固体和酸的“反应速率、反应进程、反应完全程度”,不仅和酸的浓度有关,还和固体的水溶性(即固体在水中的溶解性)有关。

2)在沪教版化学九年级上册教材P110~P111有这样一道计算题:

7.某化学兴趣小组为了测定一批石灰石样品中碳酸钙的质量分数,取用2 g石灰石样品,把20 g稀盐酸(氯化氢的水溶液)分4次加入样品中(样品中除碳酸钙外,其余的成分既不与盐酸反应,也不溶解于水),充分反应后经过滤、干燥等操作,最后称量,得实验数据如表3所示。

①从表3数据可知,这四次实验中,第 次石灰石样品中碳酸钙完全反应。

②求石灰石样品中碳酸钙的质量分数。

③煅烧50 t这种石灰石,能得到二氧化碳气体多少吨?

根据石灰石与盐酸反应的实际情况,在时间不足够长的情况下,石灰石中的碳酸钙与盐酸是不可能完全反应的。本题理论上可行,而在实际操作过程中耗时较长,否则误差就比较大,不具有实际意义。

5 结束语

通过实验室制二氧化碳废液成分的探究实验案例,使教师和学生都展开了思维冲突,提供了发现问题、解决问题的契机,为学生创设了体验动手操作的问题情境。因此,教师要切实重视实验教学,深入分析和研究实验过程中存在的一些现象和问题,引领学生进一步思考和探究实验过程中的“意外现象”,充分挖掘实验教学的教育功能。

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