碳酸是一种二元弱酸,它有2种重要的盐——正盐和酸式盐。碳酸盐的性质是中学化学的一个重要知识点,其中关于Ca2+与HCO2-3能大量共存的知识点,在许多习题集中经常出现,甚至某地区的模拟试题中亦应用了此知识点来区分CO2-3和HCO-3。为了搞清这个问题,笔者通过多次实验进行了探讨。
20℃时的溶解度:CaCl274.6g,NaHCO39.6g。准确配制了物质的量浓度为1mol/L的CaCl2溶液和1mol/LNaHCO3溶液,用稀释法又分别配制了物质的量浓度(单位:mol/L)为0.5、0.25、0.125、0.0625、0.04、0.031的CaCl2和NaHCO3溶液。
实验现象记录如下:
1mol/LCaCl2与1mol/LNaHCO3等体积混合,现象:立即产生白色浑浊,有大量气泡产生。
0.5mol/LCaCl2与0.5mol/LNaHCO3等体积混合,现象:立即产生白色浑浊,有大量气泡产生。
0.25mol/LCaCl2与0.25mol/LNaHCO3等体积混合,现象:5秒开始产生白色浑浊,有气泡产生。
0.125mol/LCaCl2与0.125mol/LNaHCO3等体积混合,现象:1分15秒开始产生白色浑浊,有少量气泡产生。
0.0625mol/LCaCl2与0.0625mol/LNaHCO3等体积混合,现象:3分35秒开始产生浑浊,有极少量气泡产生。
0.04mol/LCaCl2与0.04mol/LNaHCO3等体积混合,现象:8分钟出现浑浊,无气泡产生。
0.031mol/LCaCl2与0.031mol/LNaHCO3等体积混合,现象:半小时后出现浑浊。
0.015mol/LCaCl2与0.015mol/LNaHCO3等体积混合,现象:5小时后出现微弱浑浊。
0.01mol/LCaCl2与0.015mol/LNaHCO3等体积混合,现象:看不到浑浊。
若两溶液不等体积混合,产生的现象基本上与等体积混合时相似,只是产生沉淀量不同,浑浊程度不同而已,浓度很稀时无浑浊现象。
20℃时,Ca(OH)2溶解度为2.166g,饱和Ca(OH)2的浓度为0.2mol/L。
为了进一步验证上述实验结论,笔者又配制了饱和Ca(OH)2溶液,并向其中通入CO2气体(制得的CO2气体是通过饱和NaHCO3溶液洗涤的)。
实验现象如下:
向饱和的Ca(OH)2溶液中通入CO2气体,立即产生白色沉淀,气体过量时浊度减小,但不论CO2气体通多长时间,沉淀都不会全部消失。
将饱和石灰水按一定比例稀释,通入CO2气体,实验现象如下:
V(饱和石灰水)∶V(水)=5∶1,立即产生白色沉淀,CO2过量时,沉淀未全部溶解。
V(饱和石灰水)∶V(水)=4∶1,立即产生白色沉淀,CO2过量时,沉淀未全部溶解。
V(饱和石灰水)∶V(水)=3∶1,立即产生白色沉淀,CO2过量时,沉淀未全部溶解。
V(饱和石灰水)∶V(水)=2∶1,立即产生白色沉淀,CO2过量时,沉淀全部消失。
V(饱和石灰水)∶V(水)=1∶1,立即产生白色沉淀,CO2过量时,沉淀全部消失,而且消失速度快。
V(饱和石灰水)∶V(水)=1∶2,产生白色沉淀没有前一步迅速,CO2过量时,沉淀全部消失,而且消失速度快。
V(饱和石灰水)∶V(水)=1∶3,产生白色沉淀慢,但消失很快。
V(饱和石灰水)∶V(水)=1∶4,产生白色沉淀现象不明显。由此可知Ca2+与HCO-3在溶液中不可能大量共存。其原理如下:
(1)NaHCO3完全电离,NaHCO3=Na++HCO-3;
(2)HCO-3发生部分电离HCO-3=H++CO2-3。
当电离出的CO2-3被Ca2+沉淀后,使电离平衡向正方向移动,促进了HCO-3的电离,使电离出的H+浓度增大,浓度增大了的H+又与另一部分HCO-3结合生成H2CO3,H2CO3又会分解,放出CO2,其化学反应方程式可表示如下:CaCl2+2NaHCO3=2NaCl+CaCO3↓+H2O+CO2,测量反应后的溶液,已略显酸性,这是上式的有力佐证。
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