澄清石灰水與二氧化碳的作用機(jī)理和實(shí)驗(yàn)探究吳文中

摘要：通過深度解讀Co₂-H₂o-CaCo₃體系可能存在的多重平衡，建立研究Ca（HCo₃）₂溶解度模型并計(jì)算Caco₃在不同co₂分壓下的溶解量。分析有關(guān)數(shù)據(jù)認(rèn)為，澄清石灰水變渾濁后之所以能變清的機(jī)理是在Co₂作用下，CaCo₃的沉淀一溶解平衡向溶解方向移動(dòng)的結(jié)果。建議將飽和澄清石灰水稀釋l倍左右后再通入足量的CO₂最終能使渾濁變澄清。

關(guān)鍵詞：澄清石灰水；二氧化碳；作用機(jī)理；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2017）8-0050-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“澄清石灰水中通人CO₂氣體”的實(shí)驗(yàn)“古老而經(jīng)典”，因不同實(shí)驗(yàn)者可能觀察到不同的現(xiàn)象而引發(fā)中學(xué)教師的廣泛討論，其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為：澄清石灰水中通入過量的CO₂，澄清石灰水一定會(huì)出現(xiàn)先變渾濁再變清的現(xiàn)象；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為：澄清石灰水中通入過量的Co₂，能看到變渾，但無法徹底變清。

前一種觀點(diǎn)的理由是Ca（HCo₃）₂溶解度比CaCO₃溶解度大得多[依據(jù)文獻(xiàn)2o℃時(shí)Ca（HCo₃）₂的溶解度是l6.60g/lOOgH₂o]，因此，最終澄清石灰水能變澄清；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為：澄清石灰水先變渾濁再變澄清，可能是實(shí)驗(yàn)者未除去用鹽酸制備Co₂時(shí)混有的HCl氣體，而不是因?yàn)镃aCO₃與CO₂、H₂o反應(yīng)的結(jié)果，因?yàn)镃a（HCo₃）₂溶解度與CaCO₃溶解度無顯著差異。

需要說明的是，CO₂，氣體中可能存在HC1等酸性氣體的問題對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，完全可以通過把混合氣體通入飽和NaHCO₃溶液的方法消除，該問題不在本文討論范圍之內(nèi)。

該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象到底怎樣？實(shí)驗(yàn)如下：把除去HC1氣體的CO₂持續(xù)不斷通入飽和的澄清石灰水中，澄清石灰水變渾濁，但30min后濁液仍不變清

但為什么又有那么多教師堅(jiān)定地說：在澄清石灰水中通入除去HC1的CO₂時(shí)，最終所得溶液是澄清的，孰對(duì)孰錯(cuò)？先從Co₂-H₂o-CaCo₂體系中可能存在的各種平衡談起。在溶液中，由于CaCO₃溶解度為0.00015mol·L^-1，實(shí)際CaCO₃沉淀量無法達(dá)到O.Olmol），當(dāng)沉淀消失完全變澄清時(shí)，卻共需n（Co₃）=0.053mol（見前文），這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合（澄清石灰水中通入CO₂，溶液渾濁程度能很快達(dá)到最大，但要使渾濁消失卻需要較長時(shí)間通人Co₂）。因此，練習(xí)1中的C選項(xiàng)的圖像為等腰三角形是不恰當(dāng)?shù)?，若使用圖4示意圖來描述更為恰當(dāng)，該圖像很好地反映了本文所闡述的“澄清石灰水與二氧化碳的作用機(jī)理”。

3結(jié)語

學(xué)者鐘汝永在“澄清石灰水中通人過量二氧化碳未必能變清”一文中，采用稀H₂So₄與晶體Na₂CO₃反應(yīng)制取CO₂，向新制飽和石灰水中通人CO₂，溶液很快變渾濁，持續(xù)通人CO₂，渾濁程度降低，但通Co₂氣體30min后，溶液仍然不能完全變清，于是認(rèn)為通人過量CO₂，后能完全變清的條件如下：當(dāng)c（Ca²⁺）<8.74xl0^-3mol·L^-1或pH<12.24。這一結(jié)論與本文理論計(jì)算基本吻合，即在澄清石灰水濃度小于0.01mol·L^-1時(shí)『注：0.01mol·L^-1的Ca（OH）₂溶液的pH約為12.3]，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水能先變渾濁再變澄清，實(shí)驗(yàn)與理論存在微小差異可能是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，Co₂分壓可能無法達(dá)到1.01×l0⁵Pa所致。

有關(guān)澄清石灰水通入CO₂的實(shí)驗(yàn)中，使用的澄清石灰水可能有兩種情況，一種是新制的飽和澄清石灰水，一種是飽和澄清石灰水已被稀釋或久置，其Ca（OH）₂濃度已然減小，對(duì)于使用新制的飽和澄清石灰水的實(shí)驗(yàn)，濃度較大，實(shí)驗(yàn)過程中往往難以變清，而低濃度的Ca（OH）₂溶液中通入Co₂，則能在實(shí)驗(yàn)過程中看到先變渾濁后變澄清的現(xiàn)象。因此，把飽和澄清石灰水稀釋一倍左右后再通人過量的CO₂是該實(shí)驗(yàn)的最佳選擇。endprint