严宣申：把二氧化碳通入饱和石灰水溶液实验中的问题.doc

严宣申：把二氧化碳通入饱和石灰水溶液实验中的问题(1)问题的提出一般教科书上断言，把CO2 持续通入饱和石灰水溶液的现象是：开始通入CO2，即有CaCO3 沉淀生成使溶液变浑浊，兹后浑浊度加重，而后又逐渐变成澄清液。其反应式为CO2Ca(OH)2CaCO3H2OCaCO3CO2H2OCa(HCO3)2如果上述实验现象属实，则可由饱和石灰水所含Ca(OH)2 量知生成CaCO3量及Ca(HCO3)2 的量。由反应式知Ca(OH)2、CaCO3 和Ca(HCO3)2 的摩尔是相同的。由手册中查得：293K Ca(OH)2 溶解度为0.165g，则Ca(OH)2 浓度(mol/L)(因饱和石灰水是稀溶液，可设其密度为1.00g/mL)为1 升饱和Ca(OH)2 将与CO2 生成0.022mol CaCO3 或0.022mol Ca(HCO3)2。CaCO3 的摩尔质量为100g/mol，则CaCO3的再次溶解量为2.2g/L 或0.22g/0.1升0.22g/100g 水。由手册上查得在101325Pa CO2 压力下CaCO3 的溶解度见下表。这些数据均明显小于0.22g/100g H2O。如果深信手册上据(虽各种手册上的数据略有不同)，就只能对上面叙述提出疑问。为此再进行下列实验。实验1 把6mol/L HCl 和块状CaCO3 分别置于气体发生器中，使生成的CO2 经过水洗(用一个洗气瓶就够了)后导入饱和Ca(OH)2 溶液。实验现象是：溶液出现混浊，混浊度加浓，而后混浊度减轻，但(无论如何)得不到澄清液。实际现象和书上记载的并不相同，而实际现象与估算结果相符。在实验时，用水洗CO2 是为了除去其中的HCl，这样CaCO3 与CO2 作用不会受HCl 影响。如果是生成的CO2 未经水洗即导入饱和Ca(OH)2，即有明显量HCl 参与Ca(OH)2 和CO2 的反应，部分CaCO3 的溶解是和HCl 作用之故。Ca(OH)22H+Ca2+2H2OCaCO32H+Ca2+CO2H2O顺便提及，有人根据CO2 和Ca(OH)2 的反应，自然而然认为在把SO2 气体导入饱和Ca(OH)2 溶液时，也将出现：(首先是)清液转为浊液，浊液又变清液。然而实验事实是：不容易看到形成浊液的过程。这是因为：CaSO3 仅是微溶物(Ksp1.010-4，而CaCO3 的Ksp 为2.510-9)，H2SO3 的酸性比H2CO3强，以及SO2 的水溶度(可达1mol/L)明显大于H2CO3(约0.030.04mol/L)之故。(2)用化学方法制备的气体中可能含有杂质不经水洗CO2 中所含明显量的HCl，可用湿pH 试纸检试其pH 值，然后用同法检试经水洗过的CO2 的pH 值。其结果是：前者的pH 值明显小于后者。这个事实表明，必须注意用化学方法制备的气体中可能含有杂质及除去杂质的措施。如Zn 和H2SO4 生成的H2 中含有H2S 和AsH3(是Zn 中含有As 所致)，可使之经过KMnO4 溶液而被洗去；Cu 和中等浓度HNO3作用制得NO 中的NO2(沸点：294.4K)可通过冷却而被除去。总之，为了制取纯净的气体必须经过除杂过程。现以制取纯NO 为例。实验2 把50H2SO4 慢加入KNO2 (4mol/L)和KI (1mol/L)溶液式中，反应式为2HNO22H+2I-2NOI22H2O使逸出的气体依次通过90H2SO4(除H2O)，50KOH(除NO2)，冷却(75)及通过P2O3。若操作正常，所得NO 中只含0.0008(mol)杂质。(3)除去气体中杂质的方法用水洗去水溶性杂质 H2S、CO2 中的水溶性杂质如HCl、NH3 可用水洗去，只造成H2S、CO2 在水中部分溶解。用浓H2SO4 脱除酸性气体中的H2O 如果气体中含水量较多，则用90H2SO4 作脱水剂，一般不用浓H2SO4，因后者遇水发热量较大。若制取气体时的一种反应物是浓H2SO4(如浓H2SO4 和HCOOH 反应生成CO)，则产物中只含极少量的H2O；有时浓H2SO4 还被用来除NH3。用NaOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2 脱除酸性杂质 用固态NaOH 脱除CO2，反应需少量H2O 为“催化剂”(虽然反应也生成H2O，2NaOHCO2Na2CO3H2O)，所以要把脱CO2 装置放在脱H2O 装置之前。Ca(OH)2、Ba(OH)2 溶液常被用来脱除气体中的CO2、SO2，因Ba(OH)2 的溶解度较大及碱性较强相对于Ca(OH)2而言，所以用饱和Ba(OH)2 溶液吸收CO2、SO2 的效率更高(当然，钡化合物的价格明显高于相应钙化合物)。此外，碱液还被用来脱除Cl2、Br2。各种杂质均有相应脱除的方法，这些方法不外乎是利用了酸碱性、溶解性、氧化还原性、脱水、冷却，不赘述。(4)再讨论CO2 和饱和Ca(OH)2 的反应可能有人会提出：我们的实验，最终确实得到澄清液。做法是：从储存饱和Ca(OH)2 溶液大瓶中取出溶液，通入经过水洗的CO2，最终得澄清液，这又是为什么？把饱和Ca(OH)2 溶液贮存于大瓶中，在备用过程中其表面常形成一层硬盖是CO2 和Ca(OH)2 作用生成的CaCO3 盖，消耗了部分Ca(OH)2，表明已经是不饱和溶液了。放置时间越长，贮存过程中取用次数过多，溶液中Ca(OH)2 浓度越稀(甚至出现石灰水失效的情况)，所以出现了变得澄清的现象。从另一个角度看，用45 倍水稀释饱和石灰水，在通CO2 后可得澄清液。最后还要提请读者注意2 个问题。碳酸钙有沉淀碳酸钙、方解石及霰石(文石)3 种，它们的水溶度各不相同。此外，它们在其他盐溶液中的溶解度也不同于它们在纯水中的溶解度。碳酸钙的溶解度(g/100g 水)碳酸钙在氯化钠()溶液中的溶解度列出有关数据是为了说明：固态物质的水溶度因结构不同而异。有时颗粒大小也会影响到溶解度(略有不同，往往是细颗粒溶得多些)。通常溶解度是指在一定温度下，溶质在一定量溶剂中的溶解量。溶质溶于一定浓度的其他盐的溶液时，其溶解度可能比它在纯溶剂中的大或小或相近。因此不能用溶质的水溶度来预测它在一定浓度其他盐溶液的溶解度。为此下面举出3 个有实际意义的实例。配制只含极少量Na2CO3 的NaOH 溶液的一种方法是：配制常温下NaOH 的浓溶液，因Na2CO3(原先混杂在NaOH 中或在配NaOH 溶液时空气中CO2 溶解所致)在浓NaOH 溶液中的溶解量很小而以沉淀析出。取出上层清液用不含CO2的水稀释到所需浓度；隔膜法电解NaCl 溶液，由阴极室流出的是NaCl (200g/L)和NaOH (100g/l)的混合液，在对混合液蒸浓的过程中，因NaCl 在浓NaOH 溶液中溶解度小而析出(在50NaOH 溶液中NaCl 的浓度仅为0.9)，得到仅含小量NaCl 的NaOH；常温下，NaHCO3 的水溶度超过8