《石灰水中通入二氧化碳实验》的探究_澄清石灰水中通入过量二氧化碳
时间：2019-02-05 03:25:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
在澄清石灰水中通入二氧化碳，人们常常观察到的实验现象是先有白色浑浊，然后随着二氧化碳的不断通入，白色浑浊逐渐消失。有关的化学方程式为：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。因而得出了碳酸钙与二氧化碳的水溶液反应，生成了无色透明的碳酸氢钙溶液这个结论。然而，在新课程中学习过沉淀溶解平衡后，有学生对这一过程提出了疑问。笔者想到这是一个很好的培养学生思维和动手能力的机会，因此鼓励学生亲自动手解决这个问题。笔者在实验及理论分析中提供必要的指导。利用学校每周三下午的研究性学习时间，两星期后得到如下结果。
学生首先重复做若干次实验，发现在澄清石灰水中通入足量的二氧化碳确实是先有白色浑浊，继续通入二氧化碳后白色浑浊“消失”，但不是完全消失，所得的溶液与真正的澄清透明尚有一段距离。静置一段时间，此时的溶液变得澄清透明，但在试管底部有少量白色固体。而有几次实验却能得到澄清透明的溶液，底部也无任何固体。查表可知：氢氧化钙的Ksp=4.68×10-6，碳酸钙的Ksp=4.96 ×10-9，碳酸Ka1=4.30×10-7、Ka2=5.61×10-11。
实验条件为：常温，二氧化碳用碳酸钙和稀盐酸反应制取。为排除水蒸气和氯化氢气体的干扰，先将混合气通过饱和食盐水，再用浓硫酸洗气，最后才通入饱和澄清石灰水。装置示意图如下所示：
据此，学生猜测残留在底部的少量白色固体可能为碳酸钙。为证实这一想法，用学过的知识进行了如下理论分析。
1首先计算饱和氢氧化钙中溶解的氢氧化钙的量
设溶解的氢氧化钙浓度为s，则有：
2计算碳酸氢根离子的浓度
3 计算电离出碳酸根离子的浓度
实验中随着二氧化碳的不断通入，溶液中碳酸氢根离子浓度逐渐增大。由电离平衡原理可知，碳酸氢根离子的电离程度也在增大。
4 由溶度积常数进行计算分析
结论：从以上数据可得J=1.13×10-8>4.96×10-9。所以，在澄清石灰水中通入过量的二氧化碳虽然能使沉淀减少，但不能使得沉淀完全消失，即不可能得到澄清透明的溶液，更不要说钙离子与碳酸氢根离子大量共存了。
那么钙离子能与碳酸氢根离子共存的最大浓度是多少呢？带着这一问题，笔者又要求学生依照上面的方法进行了如下计算。
由实验探究和理论分析，学生认识到在水溶液中，钙离子与碳酸氢根离子不能大量共存，在澄清石灰水中通入过量二氧化碳也不可能得到澄清透明的溶液，除非所取澄清石灰水中Ca2+的浓度小于等于6.03×10-3mol・L-1。
为验证这一想法的正确性，学生后来又利用一次周三下午的研究性学习课进行了如下实验。先计算配制100mL 6.03×10-3mol・L-1氢氧化钙溶液需要的饱和石灰水的体积，得V= =57.4mL。由于仪器所限，实际先用碱式滴定管取用50.00mL，后用吸量管移取了7.40mL，稀释成100mL的澄清石灰水溶液，此时的澄清石灰水中 c(Ca2+)=5.98×10-3mol・L-1，小于6.03・10-3mol・L-1。向其中通入过量CO2，观察现象，先出现浑浊，然后消失，最终所得溶液的确澄清透明。
后又取用60.00mL，重复上述实验，也是先出现浑浊，然后完全消失。由此此时c(Ca2+)=6.30×10-3 mol・L-1， 比6.03×10-3mol・L-1略大一点，但由于肉眼已经无法看到任何明显的浑浊，此刻也可认为是澄清透明溶液。后又反复实验，发现如果取20.00ml，此时c(Ca2+)=2.10×10-3mol・L-1，重复上述实验，则在整个过程中根本无法察觉到先有沉淀产生，后又消失的现象。
至此，对于石灰水中通入二氧化碳的实验和理论探究全部结束了。笔者以为，在探究性学习中，利用学过的知识，更好地激发学生的学习热情和培养他们的动手能力是完全可行的。在这次探究中，师生共同探讨，真正做到了师生互动、教学相长，在实验中发掘学生的潜力。至于本文开头提到的有几次实验中得到澄清溶液的问题，笔者认为那是实验中未注意干燥吸水导致的问题。由于本实验涉及的几种物质溶度积不算很小，至少不能与BaSO4这样的沉淀相比，因此水的存在多少，还是会对实验产生影响的。在笔者向学生指出这一问题后，学生改进了装置，加上一浓硫酸的洗气瓶，这样出来的结果就与理论符合地较好了。
最后有几点说明：第一，在整个理论分析中只有第三步在现有新课程苏教版教材中探讨不多，因此第三步理论来源完全由笔者告诉学生，其它几步的理论基础在苏教版中虽所涉不多，但学生在翻阅参考书目后能自己完全看懂。第二，在整个实验过程中，笔者只教学生做归纳与整理，及必要的理论辅导，数据的最终演算与实验结果的记录完全由学生自己完成。第三，笔者已经重新对学生的实验和演算进行了复核。无计算错误。第四，本次探究主要利用学校每周三下午的研究性学习时间。
参考文献：
[1]北京师范大学无机化学教研室等编.无机化学.上册[M].第4版.北京：高等教育出版社.2002，318，419.
[2]武汉大学主编.分析化学[M].第3版.北京：高等教育出版社.1995，55-65.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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