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(xué)化學(xué)化工學(xué)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411201)

通過(guò)理論分析，CaCl2與NaHCO3溶液混合也能產(chǎn)生沉淀，是因?yàn)樘妓釟涓x子HCO3－的解離而產(chǎn)生了足量的碳酸根離子CO23－所致。進(jìn)一步分析結(jié)果顯示，Ca(HCO3)2溶液不產(chǎn)生沉淀的條件是其溶液中H+的濃度應(yīng)大于2．26×10－7mol/L。向CaCl2溶液中通入CO2因會(huì)產(chǎn)生H+而無(wú)沉淀生成;只有向澄清的石灰水中通入過(guò)量CO2至溶液呈微酸性時(shí)才能使產(chǎn)生的碳酸鈣溶解，這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，不能用CaCl2來(lái)鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液。

碳酸鈣;碳酸氫鈣;沉淀;溶解;解離

一 問(wèn)題的提出

Na2CO3與NaHCO3都被廣泛用于日常生活、食品衛(wèi)生、醫(yī)藥保健、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域，其溶液都為無(wú)色透明體，肉眼無(wú)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(zhì)密切相關(guān)［2，3］。因此，在化學(xué)教學(xué)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(chǎn)生沉淀或渾濁現(xiàn)象，則所鑒別的溶液為NaHCO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀就為Na2CO3溶液。然而在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)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(xiàn)象。顯而易見(jiàn)，用CaCl2溶液鑒別常量濃度(10mg/mL)的Na2CO3和NaHCO3溶液是缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，原因何在?什么條件下Ca(HCO3)2溶液不產(chǎn)生沉淀，或其溶液中最小氫離子H+的有效濃度應(yīng)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?jiǎn)?

二 理論分析

1．使Ca(HCO3)2溶液產(chǎn)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?yàn)?cKa1，所以

再求溶液中碳酸根離子的分布分?jǐn)?shù):

Q=［Ca2+］［CO23

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

Ca2+，平衡常數(shù) K=10［6］，系統(tǒng)全面進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)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(zhuǎn)化濃度為(0．01 － x)mol/L。

平衡時(shí)x x 0．01－x

考慮了鈣配離子的產(chǎn)生后，仍有沉淀或渾濁現(xiàn)象。再考慮離子強(qiáng)度的影響

大家知道，離子強(qiáng)度非常明顯的影響離子的有效濃度是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)?；旌弦褐?，［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(jì)，因?yàn)樗鼈兊臐舛葘?shí)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(qiáng)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(huì)出現(xiàn)渾濁甚至沉淀現(xiàn)象。所以不能用CaCl2來(lái)鑒別Na2CO3與NaHCO3溶液。

2．Ca(HCO3)2溶液能保持澄清透明的條件

當(dāng)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(xiàn)象，那么，什么條件下Ca(HCO3)2溶液不產(chǎn)生沉淀，或應(yīng)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?nèi)栽O(shè)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(chǎn)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(huì)產(chǎn)生白色沉淀。事實(shí)上只有通入CO2氣體過(guò)量到溶液呈微酸性時(shí)，才能溶解所產(chǎn)生的沉淀。通CO2氣體于CaCl2溶液中沒(méi)有沉淀產(chǎn)生也是因?yàn)楫a(chǎn)生了H+的原故。

三結(jié)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(xiàn)象。因此，不能用CaCl2來(lái)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(méi)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(chǎn)生沉淀。

(4)向CaCl2溶液中通入CO2因會(huì)產(chǎn)生H+使溶液呈酸性，因而無(wú)沉淀生成。

［1］武漢大學(xué)，吉林大學(xué)．無(wú)機(jī)化學(xué)(下冊(cè))［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1994．

［2］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)．無(wú)機(jī)化學(xué)(下冊(cè))［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1993．

［3］天津大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室．無(wú)機(jī)化學(xué)(下冊(cè))［M］．第二版．北京:高等教育出版社，1996．

［4］武漢大學(xué)．分析化學(xué)［M］．第三版．北京:高等教育出版社，1995．

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

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

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

［8］上海師范大學(xué)，河北師范大學(xué)，華中師范大學(xué)等．物理化學(xué)(下冊(cè))［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(guó)家級(jí)化學(xué)特色專(zhuān)業(yè)資助項(xiàng)目

劉 狄(1966－)，男，湖南湘潭人，副教授，主要從事化學(xué)教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編校 謝宜辰)