碳酸與氫氧化鈣溶液反應(yīng)的實驗探究

王浩

摘要：為了驗證碳酸與堿發(fā)生中和反應(yīng)時，反應(yīng)會分步進行，傳統(tǒng)的實驗方法無法直觀地解釋碳酸與堿的分步反應(yīng)原理，利用pH傳感器測定碳酸溶液與飽和澄清石灰水反應(yīng)后溶液pH值的變化，可以將抽象的碳酸與堿的分步反應(yīng)過程直觀地呈現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：碳酸;中和反應(yīng);二元弱酸

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0095-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.027

一、問題的提出

為了探究碳酸與堿的分步反應(yīng)過程，我設(shè)計了以下實驗：

【實驗1】將足量的二氧化碳通人到蒸餾水中先制得飽和的碳酸溶液，首先將新制的碳酸溶液逐滴滴加到飽和的澄清石灰水溶液中。

【現(xiàn)象】溶液立刻出現(xiàn)白色沉淀。

【實驗2】將飽和的澄清石灰水逐滴滴加到新制的碳酸溶液中。

【現(xiàn)象】溶液無明顯現(xiàn)象。

為什么相同的藥品由于藥品滴加順序不同而出現(xiàn)不同的實驗現(xiàn)象呢？由此引發(fā)對此實驗進行進一步探究。

二、不同實驗現(xiàn)象理論分析

對于以上兩個使用相同的藥品由于藥品滴加順序不同而出現(xiàn)的不同實驗現(xiàn)象，其主要原因就是碳酸（H2CO3）是一種二元弱酸，酸性極低，在碳酸溶液中存在著氫離子的兩步電離n.。

①H2CO3=H++HCO3

②HCO3=H++CO2-

當(dāng)碳酸（H2CO3）和堿溶液發(fā)生中和反應(yīng)時，碳酸會分步電離出氫離子參與反應(yīng)[2]。

對于【實驗1】，由于碳酸是逐滴滴加到澄清石灰水中，碳酸的量很少，而溶液中存在著大量的氫氧根離子，碳酸便很快發(fā)生了兩步電離，產(chǎn)生碳酸根離子，碳酸根離子很快和鈣離子結(jié)合，于是便立刻出現(xiàn)了白色沉淀。

對于【實驗2】，由于是澄清石灰水逐滴滴加到碳酸中，石灰水的量很少，中和氫氧根離子所需要的氫離子量極少，碳酸便發(fā)生了一步電離，生成碳酸氫根離子，產(chǎn)物是碳酸氫鈣[3]，碳酸氫鈣可溶于水，因此溶液無明顯現(xiàn)象。

三、碳酸與氫氧化鈣溶液反應(yīng)優(yōu)化實驗探究

傳統(tǒng)的實驗方法無法直觀地解釋碳酸與堿的分步反應(yīng)原理，以上分析只是從理論上進行了分析，為了驗證以上理論分析的科學(xué)性，將抽象的理論更直觀的呈現(xiàn)出來，我又接著設(shè)計了以下對比實驗。

【實驗3】將飽和的氫氧化鈣溶液逐滴滴加到稀鹽酸（強酸）溶液中，邊滴加邊用pH傳感器測得溶液pH值變化圖像（圖1）。

【實驗4】將飽和的氫氧化鈣溶液逐滴滴加到新制的碳酸（二元弱酸）溶液中.邊滴加邊用pH傳感器測得溶液pH值變化圖像（圖2）。

通過對比發(fā)現(xiàn)，圖l是一條常規(guī)的平滑曲線，而圖2曲線卻出現(xiàn)一個明顯拐點。其主要原因是：

在AB段當(dāng)極少量氫氧化鈣與碳酸反應(yīng)，碳酸發(fā)生一步電離，只生成可溶性的碳酸氫鈣，反應(yīng)無現(xiàn)象。

在BC段氫氧化鈣與新生成的碳酸氫鈣繼續(xù)反應(yīng)生成碳酸鈣，溶液出現(xiàn)渾濁。反應(yīng)到C點結(jié)束。分步反應(yīng)方程式如下：

AB段反方程式：Ca（OH）2+2H2CO3=Ca（HCO3）2+2H2O

BC段反應(yīng)方程式：Ca（HCO3）2+ Ca（OH）2=2CaCO3 ↓ +2H2O

四、實驗結(jié)論

碳酸（H2CO3）是一種二元弱酸，當(dāng)與堿發(fā)生中和反應(yīng)時，氫離子會分步電離，反應(yīng)會分步進行。

五、實驗反思

澄清石灰水與碳酸的反應(yīng)是酸與堿的中和反應(yīng)，但是這個中和反應(yīng)卻和普通的中和反應(yīng)有極大的不同，因為碳酸是二元弱酸，所以碳酸和澄清石灰水發(fā)生反應(yīng)的時候會分步進行。普通的實驗方法無法直觀地解釋碳酸的分步反應(yīng)原理，當(dāng)引用pH傳感器進行實驗后便可以從圖像上清晰地看出碳酸的分步反應(yīng)過程。

化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)中宏觀辨識與微觀探析是化學(xué)學(xué)科最基礎(chǔ)的素養(yǎng)。pH數(shù)字傳感器的引入，成了學(xué)生認識宏觀物質(zhì)與微觀化學(xué)的紐帶，讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)有了一個動態(tài)的本質(zhì)認識，提升了學(xué)生宏觀與微觀的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。這個改進實驗所獲取的直觀結(jié)論是傳統(tǒng)實驗所無法完成的，實驗方式的創(chuàng)新是本實驗的亮點。

參考文獻

[1]張道化，張晴，吳福瞿.二元弱酸及類二元弱酸水溶液中氫離子濃度的計算[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1982（1）：87-92

[2]倪永年，直線法測定二元弱酸的穩(wěn)定常數(shù)[J]離子選擇電極通訊，1984（3）：81-83

[3]王興艷，程厚能，孫成斌，周駿宏.溶液中碳酸氫鈣含量的測定方法研究[J].山東化工，2015（12）：59-61