不能用CaCl2鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液的理論分析

劉 狄，李大塘

(湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭411201)

不能用CaCl2鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液的理論分析

劉 狄，李大塘

(湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭411201)

通過理論分析，CaCl2與NaHCO3溶液混合也能產生沉淀，是因為碳酸氫根離子HCO3－的解離而產生了足量的碳酸根離子CO23－所致。進一步分析結果顯示，Ca(HCO3)2溶液不產生沉淀的條件是其溶液中H+的濃度應大于2．26×10－7mol/L。向CaCl2溶液中通入CO2因會產生H+而無沉淀生成;只有向澄清的石灰水中通入過量CO2至溶液呈微酸性時才能使產生的碳酸鈣溶解，這些實驗現象都說明了這一點。因此，不能用CaCl2來鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液。

碳酸鈣;碳酸氫鈣;沉淀;溶解;解離

一 問題的提出

Na2CO3與NaHCO3都被廣泛用于日常生活、食品衛生、醫藥保健、工業生產和科學研究等領域，其溶液都為無色透明體，肉眼無法直接加以鑒別。教材［1－3］普遍介紹鈣的碳酸鹽難溶于水，而其碳酸氫鹽易溶于水，自然界中溶洞、鐘乳石、石筍和石柱的形成固然與鈣的這種性質密切相關［2，3］。因此，在化學教學中通常介紹鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液的方法是分別向兩種溶液中滴加CaCl2溶液，如果不產生沉淀或渾濁現象，則所鑒別的溶液為NaHCO3溶液，產生白色沉淀就為Na2CO3溶液。然而在反復實驗中的結果卻一致表明，即使等體積混合0．02 mol/L的NaHCO3溶液與0．02 mol/L的CaCl2溶液仍能觀察到溶液變渾濁現象。顯而易見，用CaCl2溶液鑒別常量濃度(10mg/mL)的Na2CO3和NaHCO3溶液是缺乏實驗依據的，原因何在?什么條件下Ca(HCO3)2溶液不產生沉淀，或其溶液中最小氫離子H+的有效濃度應為多少才能使Ca(HCO3)2溶液保持澄清呢?有常量濃度而澄清透明的Ca(HCO3)2的堿性溶液嗎?

二 理論分析

1．使Ca(HCO3)2溶液產生沉淀的原因

僅僅考慮HCO－3解離的影響

如果等體積混合0．02 mol/L的 CaCl2溶液與0．02 mol/L的NaHCO3，已知混合液:=0．01 mol/L，Ka1=4．2 × 10－7，Ka2=5．6 × 10－11，因為 cKa1，所以

再求溶液中碳酸根離子的分布分數:

Q=［Ca2+］［CO23

－］=0．01 ×3．47 × 10－5=3．47 × 10－7＞Ksp(CaCO3)=2．9×10－9。進一步考慮鈣配離子的影響

Ca2+，平衡常數 K=10［6］，系統全面進行分析時應考慮［CaHCO3］+的生成。

等體積混合0．02mol/L的NaHCO3溶液和0．02mol/L的CaCl2溶液后的起始濃度均為0．01mol/L，令其平衡濃度都為x mol/L，那么它們的轉化濃度為(0．01 － x)mol/L。

平衡時x x 0．01－x

考慮了鈣配離子的產生后，仍有沉淀或渾濁現象。再考慮離子強度的影響

大家知道，離子強度非常明顯的影響離子的有效濃度是一個不爭的事實。混合液中，［Ca2+］ =0．009 16 mol/L，［Na+］=0．01 mol/L，0．009 16 mol/L，［CaHCO3］+≈ 0．000 84 mol/L，［Cl－］=0．02 mol/L，0．000 031 8 mol/L。可以忽略H+和OH－的濃度不計，因為它們的濃度實在太小。I=0．5 ×(0．009 16 ×22+0．01 ×12+0．009 16 ×12+0.000 84 ×12+0．02 ×12+0．003 18 ×22)=0．038 38(mol/L)。

顯然，全面考慮［CaHCO3］+的形成和離子強度影響離子有效濃度等因素，即使很稀的NaHCO3溶液與CaCl2溶液混合也會出現渾濁甚至沉淀現象。所以不能用CaCl2來鑒別Na2CO3與NaHCO3溶液。

2．Ca(HCO3)2溶液能保持澄清透明的條件

當CaCl2溶液與NaHCO3溶液混合，即使它們的有效濃度很稀仍能觀察到渾濁甚至沉淀現象，那么，什么條件下Ca(HCO3)2溶液不產生沉淀，或應控制其溶液中最小氫離子H+的有效濃度為多少Ca(HCO3)2溶液才能保持澄清透明呢?我們仍設混合后CaCl2和NaHCO3的起始濃度分別是0．01 mol/L為例，如前分析的濃度必須小于1．474×10－6mol/L才能使 Ca(HCO3)2溶液不產生沉淀。

解得 ［H+］＞2．26 ×10－7mol/L。

顯然，只有微偏酸性的Ca(HCO3)2溶液才能保持澄清透明。正如大家知道的一樣，向澄清石灰水中通入少量CO2氣體會產生白色沉淀。事實上只有通入CO2氣體過量到溶液呈微酸性時，才能溶解所產生的沉淀。通CO2氣體于CaCl2溶液中沒有沉淀產生也是因為產生了H+的原故。

三結論

(1)向NaHCO3溶液中滴入CaCl2溶液也能觀察到明顯的渾濁或沉淀現象。因此，不能用CaCl2來鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液。

(2)澄清透明的Ca(HCO3)2溶液一定微偏酸性，沒有常量濃度而澄清透明的Ca(HCO3)2堿性溶液。

(3)溶液中H+的濃度最小為2．26×10－7mol/L才能使Ca(HCO3)2溶液不產生沉淀。

(4)向CaCl2溶液中通入CO2因會產生H+使溶液呈酸性，因而無沉淀生成。

［1］武漢大學，吉林大學．無機化學(下冊)［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1994．

［2］北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學．無機化學(下冊)［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1993．

［3］天津大學無機化學教研室．無機化學(下冊)［M］．第二版．北京:高等教育出版社，1996．

［4］武漢大學．分析化學［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1995．

［5］華中師范大學，東北師范大學，陜西師范大學．分析化學［M］．第二版．北京:高等教育出版社，1994．

［6］(美)ButlerJN．離子平衡及其數學處理［M］．陸淑引，許曉文，王新省等譯．天津:南開大學出版社，1989．

［7］傅獻彩，沈文霞，姚天揚．物理化學(下冊)［M］．第四版．北京:高等教育出版社，1995．

［8］上海師范大學，河北師范大學，華中師范大學等．物理化學(下冊)［M］．第二版．北京:高等教育出版社，1985．

O6－051

A

1674－5884(2011)10－0072－02

2011－07－10

國家級化學特色專業資助項目

劉 狄(1966－)，男，湖南湘潭人，副教授，主要從事化學教學與研究工作。

(責任編校 謝宜辰)