石灰石能與硫酸持續反應的實驗探究

　　摘要：加入氯化鈉能使硫酸鈣不斷地從石灰石表面脫落并不斷地擴散到溶液中去，從而使石灰石與硫酸的反應持續進行，該反應的機理還有待進一步研究。
　　關鍵詞：氯化鈉；石灰石；硫酸；持續反應
　　文章編號：1005－6629(2012)2－0045－02　中圖分類號：G633.8　文獻標識碼：B
　　大家都知道，在實驗室一般不用塊狀石灰石與硫酸反應制取二氧化碳，其理由是碳酸鈣與硫酸反應生成的硫酸鈣微溶，硫酸鈣覆蓋在石灰石的表面會阻止硫酸與碳酸鈣的接觸，二者不接觸就不能進一步發生反應。在思考有關的鈍化問題時，筆者偶然產生了設法讓碳酸鈣與硫酸持續反應的想法。
　　1、偶然的想法
　　金屬鋁不能直接與純水反應，二者不能發生反應的原因是鋁的表面有一層氧化膜阻止了水與鋁的接觸。鋁能與氫氧化鈉溶液反應，鋁與氫氧化鈉溶液反應的實質是鋁與水的反應。氫氧化鈉的作用是先溶解金屬鋁表面的氧化膜，然后再溶解鋁與水反應生成的氫氧化鋁。由于氫氧化鈉不斷地溶解氧化鋁或氫氧化鋁，所以鋁與水的反應就能持續地進行。
　　受此反應的啟發，我想到了設法讓塊狀石灰石與硫酸持續反應的問題。我想，如果向石灰石與硫酸的混合物中加入一種能夠促進硫酸鈣溶解或脫落的試劑，石灰石就能與硫酸持續反應生成二氧化碳氣體了，我首先想到的，就是用很常見的試劑氯化鈉來做此實驗。本著試一試的想法，我用氯化鈉做了如下實驗。
　　2、實驗
　　[實驗1](室溫20℃左右)，在花壇里撿一小塊石灰石，將石灰石洗凈后裝入試管內，向試管內加入濃度約為50％的硫酸5 mL。硫酸與石灰石能比較慢地發生反應生成二氧化碳氣體，反應很快就停止了，試管中的溶液略顯渾濁。反應停止后，向試管內加入約0.2 g氯化鈉固體，輕輕振蕩試管，試管內的物質繼續發生反應且能較快地生成二氧化碳氣體。將試管放到試管架上觀察，可見反應生成氣體的速率在較長的時間內一直較快且很平穩，試管內的溶液先rD6g7qzsKRJ3aALvdM8UqYFz3QlLRpZFxTnpKqzWu/U=是由略顯渾濁變成白色渾濁、繼而變成了白色粘稠狀。
　　做完此實驗，筆者想到了這么一個問題：加入氯化鈉后，石灰石能與硫酸較快地發生反應，在反應中起促進作用的到底是Na^＋還是Cl^－呢?或者是二者共同作用的結果呢?為了回答該問題，筆者繼續做了如下實驗。
　　[實驗2]向4支試管里各加入一塊石灰石和5 mL濃度約為50％的硫酸，待反應停止后，再分別加入約0.2 g KCl、NHCl、CaCI、NaSO固體輕輕振蕩。加入KCl、NHCl的試管內能繼續發生反應生成二氧化碳氣體，但反應速度較慢，同石灰石與硫酸剛開始的反應速度相當，反應一段時間后就趨于停止了。加入CaCl的試管內可見CaCl溶解并生成大量的白色固體，但不能繼續發生反應生成二氧化碳氣體。加入NaSO的試管內沒有任何明顯可見的現象，當然也沒有二氧化碳氣體逸出。
　　3、實驗分析與實驗結論
　　在實驗1中，沒有出現筆者預想的促進硫酸鈣溶解的現象。從實驗現象來看，實驗1中的碳酸鈣與硫酸反應生成的硫酸鈣—直在不斷地從碳酸鈣表面脫落下來并擴散到溶液中去。由于硫酸鈣脫落了，所以硫酸能夠與碳酸鈣接觸并持續反應生成二氧化碳氣體；由于硫酸鈣不斷地脫落并擴散到溶液中去，所以溶液先變渾濁后變粘稠。
　　是什么物質促進了硫酸鈣從石灰石表面的脫落呢?從實驗2來看，僅含Cl^－的CaCl不能促進硫酸鈣從石灰石表面脫落，僅含Na^＋的NaSO也不能促進硫酸鈣從石灰石表面脫落。KCl和NHCl能夠促進硫酸鈣從石灰石的表面脫落，但效果遠不如NaCl好。綜合分析這些實驗現象，筆者得出這樣一個結論：向石灰石與硫酸的混合物中加入NaCl，NaCl能使石灰石與硫酸持續反應，NaCl促使石灰石與硫酸持續反應的原因可能是NaCl能促使硫酸鈣從石灰石的表面脫落并在溶液中擴散。在NaCl促進硫酸鈣從石灰石表面脫落的過程中，Na^＋和Cl^－是共同起作用的，Cl所起的作用比Na^＋所起的作用略大(與其他幾組對照實驗相比較得出)。
　　4、感想和疑難問題
　　加入Nacl之后，石灰石就能和硫酸持續發生反應。筆者雖然對此有過一點預想，但實際的反應不像我預想的那樣發生了。這讓我感到很振奮，也讓我感到很疑惑。振奮的是，我發現了_一個有趣的實驗，這給我們的探究性教學增添了一個好素材，疑惑的是，我想盡了辦法也沒找出該反應發生的本質原因(反應機理)。
　　Na^＋和Cl^－究竟是怎樣促進硫酸鈣從石灰石表面脫落的呢?對此問題，筆者既沒有找到較權威的理論根據，也沒有想到很好的實驗方案進行深入的探究。筆者曾就此問題設想過一些可能的反應機理，但終因這些機理都難以自圓其說而放棄，該問題將留待同行專家去進一步研