實驗室製二氧化碳廢液成分的探究及反思

    實驗教學

    作者：李華

    1 提出問題

    二氧化碳是人們比較熟悉的一種氣體，因為它是人類不可缺少的空氣的成分之一。因此，無論什版本的初中化學教材，都把二氧化碳和氧氣放在一起，作為研究氣體性質和製取方法的典型。實驗室製取二氧化碳的原料綜合各方麵因素考慮，一般選擇塊狀的大理石或石灰石和稀鹽酸。在製備過程中，當反應發生裝置中觀察不到有氣泡產生，液體不再翻滾，一般就認為反應結束了；若在反應發生裝置中仍有大塊狀固體殘留，一般就認為反應後固體有剩餘，鹽酸全部作用完，剩餘液呈中性。

    但事實是否果真如此？在大試管中加入5粒石灰石，傾倒約試管體積1/3的稀鹽酸（1：1），觀察不到氣泡後，將反應剩餘液靜置一會兒，取上層清液用pH試紙測其pH值，發現pH值約為1或2，說明廢液呈酸性。那廢液為什呈酸性？而此時大試管中依然有固體，難道殘留的固體就是石灰石中不與鹽酸反應的難溶性雜質嗎？難道在這些固體中就沒有碳酸鈣的存在了嗎？基於這些疑惑，筆者進行了相關實驗，來研究石灰石與稀鹽酸作用後不再有氣泡產生時，廢液中究竟有些什成分？若廢液呈酸性，剩餘的固體成分中是否還有碳酸鈣？

    2 實驗並對實驗進行分析

    2.1 實驗

    在大試管中加入5粒左右石灰石，傾倒約試管體積1/3的稀鹽酸（1：1）。

    2.2 分析

    從以上實驗和現象不難看出，當石灰石與稀鹽酸反應時，在固體表麵看不到氣泡時，廢液還是呈較強的酸性，原因主要有兩點：一是當反應幾乎停止後，廢液中還殘留有鹽酸；二是廢液中溶解有二氧化碳。

    為排除二氧化碳的幹擾，將廢液進行加熱（表1，實驗1），二氧化碳逸出後，溶液仍然呈酸性，可以充分說明廢液中殘留有鹽酸；而此時鹽酸濃度已經變得很稀，反應並沒有停止，隻是反應速率變得極其緩慢，用肉眼觀察不到氣泡而已。因此，在實驗後的固體殘留物中再加少許稀鹽酸（1：1）（表1，實驗2），由於酸溶液濃度增大，反應速率加快，在殘留固體表麵又有大量氣泡冒出。由於在反應過程中，石灰石表麵的碳酸鈣逐漸被鹽酸所消耗，固體中的碳酸鈣分布不均勻，固體表麵碳酸鈣的質量分數變小，使得鹽酸與碳酸鈣的接觸麵積變小，也促使反應速率變慢。

    取實驗後的上層清液加入未使用過的石灰石顆粒（表1，實驗3），增大了碳酸鈣與鹽酸的接觸麵積，又能比較明顯地觀察到有細小的氣泡產生。

    將反應物放置2天後，取上層清液測其pH值，發現pH值接近7（表1，實驗4）。這就說明隻要給反應足夠長的時間，雖然觀察不到明顯的實驗現象，反應還是能夠比較完全地發生。

    所以實驗室製取二氧化碳，當觀察不到氣泡時，會出現鹽酸與石灰石同時過量，是因為反應尚未結束；但主要由於鹽酸濃度變小，反應變得極其緩慢，肉眼很難觀察到反應在發生，已經不再適合實驗室製取氣體。

    根據實驗的結果和分析，假如用質量分數為14.6%的稀鹽酸100 g和足量的大理石反應，能收集得到8.8 g二氧化碳嗎？答案應該是“不能”，原因：要得到8.8 g二氧化碳需要14.6 g HCl，而100 g質量分數為14.6%的稀鹽酸中的HCl正好是14.6 g，14.6 g HCl是不可能在短時間內被大理石消耗完的。當鹽酸濃度降到一定程度後，反應就趨於停止，不再適合製取二氧化碳了，所以要製取並收集到8.8 g二氧化碳，選擇14.6%的稀鹽酸的量應該大於100 g才比較符合實際情況。

    3 實驗延伸

    2010年蘇州市初中化學實驗操作考查中有這樣一道思考題：向製備二氧化碳的剩餘液中逐滴加入飽和碳酸鈉溶液直至過量，混合液中會發生哪些反應？混合液的pH將怎樣變化？為此，筆者特地進行了相關實驗。

    分析：剛開始滴入碳酸鈉溶液時，上層會產生白色沉澱，而下降過程中沉澱會消失且有氣泡產生。原因是：在剛開始滴加的過程中，碳酸鈉局部濃度大，和氯化鈣反應生成白色的碳酸鈣，但整個溶液酸性較強，碳酸鈣在下降過程中與稀鹽酸反應生成二氧化碳氣體。這個過程中pH值逐漸變大，最後到7。有關反應方程式：

    CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl

    CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑

    Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

    當鹽酸消耗完後，再滴加碳酸鈉溶液時，碳酸鈉與氯化鈣反應產生沉澱，液體不再呈酸性，在下降過程中沉澱不消失，振蕩後無氣泡。pH等於7維持不變。相關反應方程式：

    CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl。

    最後，當溶液中的氯化鈣被碳酸鈉作用完後，再滴加碳酸鈉溶液時，沒有反應發生，碳酸鈉過量，上層清液中無沉澱，無氣泡，pH值逐漸變大。