澄清石灰水與二氧化碳氣體反應(yīng)的探究

伍強 趙賢祥 杜明桂

摘要： 設(shè)計將石灰水注入盛有二氧化碳氣體的礦泉水瓶中，再劇烈振蕩的實驗探究方案。用發(fā)射光譜儀測定飽和澄清石灰水以及飽和碳酸氫鈣溶液的總鈣離子濃度，得出石灰水與二氧化碳反應(yīng)生成濁液、膠體和溶液3種分散系所對應(yīng)的飽和石灰水稀釋倍數(shù)，這對實驗教學(xué)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 澄清石灰水； 二氧化碳； 碳酸鈣； 碳酸氫鈣； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）4-0075-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

飽和澄清石灰水至少稀釋多少倍，再與CO2氣體反應(yīng)，反應(yīng)液完全變澄清。有不少研究者做了實驗探究，得出飽和石灰水稀釋的倍數(shù)相差很大。

嚴宣申查閱了相關(guān)數(shù)據(jù)并做了實驗探究。20℃時Ca（OH）2溶解度為0.165g（0.022mol·L-1），25℃和CO2分壓為1.01×105Pa時CaCO3的溶解度為0.094g（0.0094mol·L-1）。CO2氣體通入飽和澄清石灰水，溶液出現(xiàn)混濁，混濁度加大，而后混濁度減輕，但無論如何得不到澄清溶液[1]。用4～5倍水稀釋飽和石灰水，再通入CO2后可得澄清溶液[2]。

許燕紅等也查閱了相關(guān)數(shù)據(jù)并做了實驗探究。18℃時Ca（OH）2的溶解度約為0.164g（0.022mol·L-1），18℃和CO2分壓為9.95×104Pa時CaCO3的溶解度為1.086g·L-1（0.011mol·L-1）。在18℃實驗時，飽和澄清石灰水與蒸餾水以30mL和20mL混合時，續(xù)通CO2氣體8min以上混濁不能完全變澄清；以25mL和25mL混合時，續(xù)通CO2氣體109.64s完全變澄清[3]。

為此，設(shè)計將石灰水注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，再劇烈振蕩的實驗探究方案，得出石灰水與CO2反應(yīng)生成濁液、膠體和溶液3種分散系所對應(yīng)的飽和石灰水稀釋倍數(shù)。

1 飽和澄清石灰水的配制、取用和測定

飽和澄清石灰水的配制。取3000mL試劑瓶，加入30g分析純Ca（OH）2，再加入蒸餾水，塞上橡皮塞不斷搖動幾分鐘，靜置一段時間再不斷搖動幾分鐘，然后靜置3天或更長時間。用激光筆照射石灰水無光路或極微弱光路（從垂直照射方向觀察，下同）。

飽和澄清石灰水的取用。換上帶有導(dǎo)管的橡皮塞，如圖1所示，用洗耳球?qū)氏鹌す芸谖鼩猓钩吻迨宜詣臃懦觥?/p>

圖1 飽和澄清石灰水取用裝置圖

飽和澄清石灰水總鈣離子濃度的測定。取飽和澄清石灰水200mL，再加入1mL濃鹽酸，測定總鈣離子濃度。

實驗時盡可能做到石灰水飽和、澄清、不與空氣中CO2反應(yīng)。本研究中總鈣離子濃度均由美國Perkin Elmer公司制造（型號： OPTIMA8000）的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀來測定。

2 二氧化碳氣體的制取和收集

實驗裝置如圖2所示，在燒瓶中加入適量的NaHCO3晶體，在分液漏斗中加入6mol·L-1H2SO4，用排水法將CO2氣體收集到550mL礦泉水瓶中備用。大理石與稀鹽酸反應(yīng)制取的CO2氣體中含有少量的HCl氣體，因此本實驗用NaHCO3晶體與稀H2SO4反應(yīng)制取CO2氣體，避免HCl氣體的干擾。

圖2 二氧化碳氣體制取和排水法收集裝置

3 生成飽和Ca（HCO3）2溶液時飽和石灰水稀釋倍數(shù)

3.1 控制室內(nèi)溫度25℃的實驗

量取100mL飽和澄清石灰水，注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈振蕩，反應(yīng)液先變混濁再變澄清（或微濁），用激光筆照射反應(yīng)液有光路。靜置幾個小時（不可搖動），礦泉水瓶底黏附明顯的白色沉淀物。以同樣方法制備9個樣品。靜置1天，量取3個樣品中反應(yīng)液200mL再加入1mL濃鹽酸，測定總鈣離子濃度。分別靜置2天、3天以同樣方法測定反應(yīng)液總鈣離子濃度，結(jié)果見表1（注： 表中總鈣離子濃度已不是原溶液總鈣離子濃度，下同）。

表1 25℃時飽和澄清石灰水以及反應(yīng)液的總鈣離子濃度

靜置2天與靜置3天的反應(yīng)液，其總鈣離子濃度非常接近，且用激光筆照射反應(yīng)液無光路，因此靜置3天的反應(yīng)液總鈣離子濃度就是25℃、 CO2分壓為1大氣壓時CaCO3的溶解度。要生成飽和Ca（HCO3）2溶液，飽和澄清石灰水稀釋倍數(shù)： （2.12×10-2-9.96×10-3）÷（9.96×10-3）=1.13（倍）。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度25℃時，飽和澄清石灰水以1∶1.13稀釋（忽略溶液混合時體積的變化），反應(yīng)生成飽和Ca（HCO3）2溶液。

3.2 控制室內(nèi)溫度20℃的實驗

實驗方法同上，測得各溶液總鈣離子濃度見表2。

表2 20℃時飽和澄清石灰水以及反應(yīng)液的總鈣離子濃度

要生成飽和Ca（HCO3）2溶液，飽和澄清石灰水稀釋倍數(shù)： （2.19×10-2-1.04×10-2）÷（1.04×10-2）=1.11（倍）。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度20℃時，飽和澄清石灰水以1∶1.11稀釋（忽略溶液混合時體積的變化），反應(yīng)生成飽和Ca（HCO3）2溶液。

4 生成澄清CaCO3膠體時飽和石灰水稀釋倍數(shù)

在室內(nèi)溫度為20℃至25℃時，取100mL飽和澄清石灰水再加20mL水（一般情況加10mL即可），注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈振蕩，反應(yīng)液先變混濁再變澄清，靜置幾十天未見白色沉淀物，用激光筆照射反應(yīng)液有光路。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度20℃至25℃時，飽和澄清石灰水以1∶0.2～1∶1.1稀釋，反應(yīng)生成澄清的CaCO3膠體；大于1∶0.2稀釋，反應(yīng)可能生成CaCO3濁液；小于1∶1.1稀釋，反應(yīng)生成澄清的Ca（HCO3）2溶液。

5 碳酸鈣的陳化現(xiàn)象

許多化合物都有陳化性質(zhì)，只是陳化程度和陳化所需時間不盡相同而已。然而組成和結(jié)構(gòu)的改變卻是陳化的共同原因[4]。為探究CaCO3是否有明顯的陳化現(xiàn)象，設(shè)計如下對比實驗。

實驗1 在室內(nèi)溫度為25℃時，取飽和澄清石灰水50mL再加60mL水，注入盛有CO2氣體的550mL礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈上下振蕩，連續(xù)5次，反應(yīng)液由混濁變澄清。

實驗2 實驗方法與實驗1大體相同，只是注入石灰水后先靜置5min，然后劇烈上下振蕩，連續(xù)50次，反應(yīng)液仍然混濁。不時振蕩，幾個小時或幾天后反應(yīng)液也不變澄清。

結(jié)論： 澄清石灰水和CO2反應(yīng)生成CaCO3，剛生成的CaCO3較易與CO2反應(yīng)，生成的CaCO3靜置幾分鐘后就難以再與CO2反應(yīng)，CaCO3陳化現(xiàn)象明顯。

氣溫越高，靜置時間越長，陳化現(xiàn)象越明顯。將石灰水置于廣口瓶中，再通入CO2氣體，生成的CaCO3與CO2沒有充分接觸，反應(yīng)速率慢，CaCO3陳化現(xiàn)象明顯，反應(yīng)液難以變澄清。

6 實驗探究的思考

有的研究者因忽略澄清石灰水與CO2氣體反應(yīng)生成膠體分散系以及CaCO3的陳化現(xiàn)象，僅憑理論計算求得25℃和CO2分壓為1大氣壓時CaCO3的溶解度： 7.3×10-3mol·L-1[5]、 8.27×10-3mol·L-1[6]、 8.74×10-3mol·L-1[7]、 9.75×10-3mol·L-1[8]，從而錯誤地認為澄清石灰水濃度大于CaCO3溶解度時（兩者均以物質(zhì)的量濃度表示），通入CO2氣體反應(yīng)液最終一定混濁；小于CaCO3溶解度時，反應(yīng)液最終一定澄清。事實上，將濃度大于CaCO3溶解度的石灰水置于試管中，快速通入CO2氣體有可能生成澄清的膠體；將濃度小于CaCO3溶解度的石灰水置于廣口瓶中，緩慢通入CO2氣體有可能生成濁液。嚴宣申老師用4～5倍水稀釋飽和石灰水，再通入CO2后可得澄清溶液，并真實地記錄了實驗情況，這給了我們思考的空間。

在實驗教學(xué)中可設(shè)計如下方案來演示實驗： 室內(nèi)溫度20℃至25℃時，將飽和澄清石灰水以1∶0.2～1∶1.1稀釋，注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中再劇烈振蕩。此方案使反應(yīng)物充分接觸，反應(yīng)速率快，有效地防止CaCO3陳化，反應(yīng)液呈現(xiàn)先變混濁再變澄清的實驗現(xiàn)象。如果刻意得到飽和的Ca（HCO3）2溶液，則飽和澄清石灰水以1∶1.1稀釋。制取濃度相對較大的澄清分散系，目的是演示Ca（HCO3）2熱穩(wěn)定性實驗以及Ca（HCO3）2與NaOH溶液反應(yīng)實驗產(chǎn)生明顯的實驗現(xiàn)象。

參考文獻：

[1][2][4]嚴宣申.化學(xué)實驗的啟示與科學(xué)思維的訓(xùn)練（第1版）[M].北京： 北京大學(xué)出版社， 1993： 15， 17， 36.

[3]許燕紅等.二氧化碳使澄清石灰水先混濁后澄清的條件探究[J].化學(xué)教育， 2013，（8）： 69.

[5]李友銀.對二氧化碳通入飽和石灰水實驗的再探究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2014，（8）： 52.

[6]鐘汝永.溶液中二氧化碳與碳酸鈣反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)推導(dǎo)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2015，（4）： 56.

[7]鐘汝永.澄清石灰水中通入過量二氧化碳未必能變清[J].教學(xué)儀器與實驗， 2014，（11）： 37.

[8]吳文中.澄清石灰水與二氧化碳的作用機理和實驗探究[J].化學(xué)教學(xué)， 2017，（8）： 53.