《石灰水中通入二氧化碳實(shí)驗(yàn)》的探究

在澄清石灰水中通入二氧化碳，人們常常觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是先有白色渾濁，然后隨著二氧化碳的不斷通入，白色渾濁逐漸消失。有關(guān)的化學(xué)方程式為：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。因而得出了碳酸鈣與二氧化碳的水溶液反應(yīng)，生成了無(wú)色透明的碳酸氫鈣溶液這個(gè)結(jié)論。然而，在新課程中學(xué)習(xí)過(guò)沉淀溶解平衡后，有學(xué)生對(duì)這一過(guò)程提出了疑問(wèn)。筆者想到這是一個(gè)很好的培養(yǎng)學(xué)生思維和動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)，因此鼓勵(lì)學(xué)生親自動(dòng)手解決這個(gè)問(wèn)題。筆者在實(shí)驗(yàn)及理論分析中提供必要的指導(dǎo)。利用學(xué)校每周三下午的研究性學(xué)習(xí)時(shí)間，兩星期后得到如下結(jié)果。

學(xué)生首先重復(fù)做若干次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在澄清石灰水中通入足量的二氧化碳確實(shí)是先有白色渾濁，繼續(xù)通入二氧化碳后白色渾濁“消失”，但不是完全消失，所得的溶液與真正的澄清透明尚有一段距離。靜置一段時(shí)間，此時(shí)的溶液變得澄清透明，但在試管底部有少量白色固體。而有幾次實(shí)驗(yàn)卻能得到澄清透明的溶液，底部也無(wú)任何固體。查表可知：氫氧化鈣的Ksp=4.68×10-6，碳酸鈣的Ksp=4.96 ×10-9，碳酸Ka1=4.30×10-7、Ka2=5.61×10-11。

實(shí)驗(yàn)條件為：常溫，二氧化碳用碳酸鈣和稀鹽酸反應(yīng)制取。為排除水蒸氣和氯化氫氣體的干擾，先將混合氣通過(guò)飽和食鹽水，再用濃硫酸洗氣，最后才通入飽和澄清石灰水。裝置示意圖如下所示：

據(jù)此，學(xué)生猜測(cè)殘留在底部的少量白色固體可能為碳酸鈣。為證實(shí)這一想法，用學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行了如下理論分析。

1首先計(jì)算飽和氫氧化鈣中溶解的氫氧化鈣的量

設(shè)溶解的氫氧化鈣濃度為s，則有：

2計(jì)算碳酸氫根離子的濃度

3 計(jì)算電離出碳酸根離子的濃度

實(shí)驗(yàn)中隨著二氧化碳的不斷通入，溶液中碳酸氫根離子濃度逐漸增大。由電離平衡原理可知，碳酸氫根離子的電離程度也在增大。

4 由溶度積常數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析

結(jié)論：從以上數(shù)據(jù)可得J=1.13×10-8>4.96×10-9。所以，在澄清石灰水中通入過(guò)量的二氧化碳雖然能使沉淀減少，但不能使得沉淀完全消失，即不可能得到澄清透明的溶液，更不要說(shuō)鈣離子與碳酸氫根離子大量共存了。

那么鈣離子能與碳酸氫根離子共存的最大濃度是多少呢？帶著這一問(wèn)題，筆者又要求學(xué)生依照上面的方法進(jìn)行了如下計(jì)算。

由實(shí)驗(yàn)探究和理論分析，學(xué)生認(rèn)識(shí)到在水溶液中，鈣離子與碳酸氫根離子不能大量共存，在澄清石灰水中通入過(guò)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+的濃度小于等于6.03×10-3mol·L-1。

為驗(yàn)證這一想法的正確性，學(xué)生后來(lái)又利用一次周三下午的研究性學(xué)習(xí)課進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。先計(jì)算配制100mL 6.03×10-3mol·L-1氫氧化鈣溶液需要的飽和石灰水的體積，得V= =57.4mL。由于儀器所限，實(shí)際先用堿式滴定管取用50.00mL，后用吸量管移取了7.40mL，稀釋成100mL的澄清石灰水溶液，此時(shí)的澄清石灰水中 c(Ca2+)=5.98×10-3mol·L-1，小于6.03·10-3mol·L-1。向其中通入過(guò)量CO2，觀察現(xiàn)象，先出現(xiàn)渾濁，然后消失，最終所得溶液的確澄清透明。

后又取用60.00mL，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，也是先出現(xiàn)渾濁，然后完全消失。由此此時(shí)c(Ca2+)=6.30×10-3 mol·L-1， 比6.03×10-3mol·L-1略大一點(diǎn)，但由于肉眼已經(jīng)無(wú)法看到任何明顯的渾濁，此刻也可認(rèn)為是澄清透明溶液。后又反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果取20.00ml，此時(shí)c(Ca2+)=2.10×10-3mol·L-1，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，則在整個(gè)過(guò)程中根本無(wú)法察覺(jué)到先有沉淀產(chǎn)生，后又消失的現(xiàn)象。

至此，對(duì)于石灰水中通入二氧化碳的實(shí)驗(yàn)和理論探究全部結(jié)束了。筆者以為，在探究性學(xué)習(xí)中，利用學(xué)過(guò)的知識(shí)，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力是完全可行的。在這次探究中，師生共同探討，真正做到了師生互動(dòng)、教學(xué)相長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)掘?qū)W生的潛力。至于本文開(kāi)頭提到的有幾次實(shí)驗(yàn)中得到澄清溶液的問(wèn)題，筆者認(rèn)為那是實(shí)驗(yàn)中未注意干燥吸水導(dǎo)致的問(wèn)題。由于本實(shí)驗(yàn)涉及的幾種物質(zhì)溶度積不算很小，至少不能與BaSO4這樣的沉淀相比，因此水的存在多少，還是會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響的。在筆者向?qū)W生指出這一問(wèn)題后，學(xué)生改進(jìn)了裝置，加上一濃硫酸的洗氣瓶，這樣出來(lái)的結(jié)果就與理論符合地較好了。

最后有幾點(diǎn)說(shuō)明：第一，在整個(gè)理論分析中只有第三步在現(xiàn)有新課程蘇教版教材中探討不多，因此第三步理論來(lái)源完全由筆者告訴學(xué)生，其它幾步的理論基礎(chǔ)在蘇教版中雖所涉不多，但學(xué)生在翻閱參考書(shū)目后能自己完全看懂。第二，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者只教學(xué)生做歸納與整理，及必要的理論輔導(dǎo)，數(shù)據(jù)的最終演算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄完全由學(xué)生自己完成。第三，筆者已經(jīng)重新對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和演算進(jìn)行了復(fù)核。無(wú)計(jì)算錯(cuò)誤。第四，本次探究主要利用學(xué)校每周三下午的研究性學(xué)習(xí)時(shí)間。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>