粗鹽提純實(shí)驗(yàn)的問題探討

劉文皓，黃燕寧，李麗萍

摘要： 粗鹽提純實(shí)驗(yàn)中存在關(guān)于除雜試劑選擇、沉淀成分、實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)生產(chǎn)差異等多方面的疑問，如Ba（OH）2溶液是否可以代替BaCl2溶液、NaOH溶液進(jìn)行除雜；為什么不選用碳酸鈉溶液同時(shí)除去粗鹽中的Mg2+、 Ca2+及引入的過量Ba2+；碳酸鈉溶液的加入會(huì)不會(huì)導(dǎo)致氫氧化鎂沉淀轉(zhuǎn)化為堿式碳酸鎂沉淀；用NaOH溶液除去粗鹽中的Mg2+會(huì)不會(huì)生成Mg（OH）2膠體。對這些常見問題進(jìn)行了探討，以期為化學(xué)教學(xué)提供一些有益的參考。

關(guān)鍵詞： 粗鹽提純； 分離除雜； 問題探討

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）02-0094-03? ??中圖分類號(hào)： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

粗鹽提純是中學(xué)階段經(jīng)典的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，承載著物質(zhì)分離的重要思路與方法。初中階段關(guān)注粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除［1］，而高中階段則側(cè)重于用化學(xué)沉淀法除去粗鹽中Ca2+、 Mg2+、 SO2-4三種可溶性雜質(zhì)離子［2］。依據(jù)人教版［3］、魯科版［4］、蘇教版［5］高中化學(xué)教材，該實(shí)驗(yàn)原理為用BaCl2溶液除去SO2-4，用NaOH溶液除去Mg2+，用Na2CO3溶液除去Ca2+與過量的Ba2+，將沉淀過濾后用鹽酸調(diào)節(jié)濾液pH至中性或微酸性。然而在實(shí)際教學(xué)過程中，教師和學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)仍存在一些疑問，值得進(jìn)一步探究與思考。

1? Ba（OH）2溶液是否可以代替BaCl2溶液、NaOH溶液進(jìn)行除雜

教師在粗鹽提純實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為了發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，強(qiáng)化學(xué)生對分離除雜思路方法的認(rèn)識(shí)，往往會(huì)要求學(xué)生自主思考如何選擇該實(shí)驗(yàn)的除雜試劑。然而，在很多學(xué)生眼中，Ba（OH）2溶液是更為便捷的除雜試劑，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)除去粗鹽水中的SO2-4、 Mg2+。那么教師面對學(xué)生的這一想法該作何解釋呢？不選擇Ba（OH）2溶液做除雜試劑的原因是什么呢？

從理論上分析，Ba（OH）2溶液確實(shí)可以同時(shí)沉淀溶液中的SO2-4與Mg2+，但在實(shí)際應(yīng)用中Ba（OH）2溶液并不可以代替BaCl2溶液、NaOH溶液進(jìn)行除雜，原因主要包括以下三點(diǎn)：

（1） 粗鹽中各雜質(zhì)的具體含量是未知的，在進(jìn)行除雜操作前無法判斷SO2-4和Mg2+的物質(zhì)的量之比。若直接加入Ba（OH）2溶液必然會(huì)引入過量的Ba2+或OH-，在后續(xù)操作中將加入更多的碳酸鈉溶液或鹽酸，造成試劑的浪費(fèi)。

（2） Ba（OH）2溶解度很低，20℃時(shí)氫氧化鋇的溶解度為3.89g，不易制得濃度較高的Ba（OH）2溶液。實(shí)驗(yàn)中所用Ba（OH）2溶液中的氫氧根離子濃度遠(yuǎn)小于氫氧化鈉溶液，使得加入溶液體系的除雜試劑量進(jìn)一步增加。

（3） Ba（OH）2的成本比BaCl2和NaOH更高。

2? 為什么不用碳酸鈉溶液同時(shí)除去粗鹽中的Mg2+、 Ca2+及引入的過量Ba2+

本實(shí)驗(yàn)教材選用NaOH溶液除去粗鹽中的Mg2+，部分教師可能思考為什么不用碳酸鈉溶液同時(shí)除去粗鹽中的Mg2+、 Ca2+及引入的過量Ba2+？該問題可用沉淀溶解平衡的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析和解釋。在一般情況下，當(dāng)溶液中剩余離子的濃度小于1×10-5mol/L即為沉淀完全。將上述數(shù)值代入沉淀溶解平衡計(jì)算，可以估算出鈣離子和鎂離子沉淀完全時(shí)，對應(yīng)的氫氧根離子和碳酸根離子濃度。

表1列出了Ca（OH）2、 Mg（OH）2和CaCO3、 MgCO3的溶度積［6］。由此可知，當(dāng)鈣離子沉淀完全時(shí)，對應(yīng)氫氧根離子濃度約為0.68mol/L，碳酸根離子濃度約為4.96×10-4mol/L；當(dāng)鎂離子沉淀完全時(shí)，對應(yīng)氫氧根離子濃度約為7.49×10-4mol/L，碳酸根離子濃度約為0.68mol/L。通俗地解釋，用碳酸根除去鈣離子、用氫氧根除去鎂離子，分別只需要極少量碳酸鈉或極少量氫氧化鈉即可；但是單用碳酸根或者單用氫氧根同時(shí)除去鈣離子和鎂離子，則需用更多的碳酸鈉或者更多的氫氧化鈉。

值得注意的是，在實(shí)際制鹽工藝中，不僅可以采用氫氧化物去除鎂離子，也是可以使用碳酸鹽進(jìn)行除雜的［7］。雖然教學(xué)中教師習(xí)慣于將該實(shí)驗(yàn)與制鹽工藝相結(jié)合，突出問題情境的真實(shí)性，但中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中模擬的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程還是存在一定差異的。在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅要從原理的角度實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)離子的去除，更要考慮工業(yè)成本的最優(yōu)化。具體采用何種方法除雜與產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境友好等方面相關(guān)，如何建立起制鹽工藝與其他工業(yè)生產(chǎn)鏈的關(guān)系是技術(shù)研發(fā)人員致力解決的問題。因此，教師不僅要能夠利用制鹽工藝這一真實(shí)情景建立化學(xué)學(xué)科與生產(chǎn)生活的密切聯(lián)系，還要意識(shí)到教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程與工藝流程間的差異，從而更好發(fā)揮粗鹽提純實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，給予學(xué)生正確的引導(dǎo)。

3? 加入碳酸鈉溶液后，氫氧化鎂沉淀會(huì)不會(huì)轉(zhuǎn)化為堿式碳酸鎂沉淀

該問題可以依據(jù)沉淀溶度積進(jìn)行定性分析，Ksp數(shù)據(jù)已經(jīng)非常直觀地給出了幾種沉淀物的性質(zhì)。若按教材中的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，向粗鹽水中加入過量NaOH溶液生成Mg（OH）2后，溶液中鎂離子濃度極低，其再與碳酸根離子結(jié)合的條件就變得難以滿足。因此，鎂離子會(huì)以氫氧化鎂沉淀形式存在，不會(huì)生成碳酸鎂或堿式碳酸鎂沉淀。

這一結(jié)論亦可以通過定量計(jì)算加以證實(shí)［8］。粗鹽中的Mg2+以何種沉淀形式除去與下列方程式有關(guān)：

Mg2++2OH-Mg（OH）2（s）①

Mg2++CO2-3MgCO3（s）②

當(dāng)①式減②式移項(xiàng)整理后得：

MgCO3（s）+2OH-Mg（OH）2（s）+CO2-3③

室溫下，平衡常數(shù)K=［CO2-3］［OH］2=Ksp（MgCO3）Ksp［Mg（OH）2］=6.8×10-65.1×10-12=1.3×106

接下來，以人教版教材中給定的試劑濃度及用量計(jì)算該實(shí)驗(yàn)中實(shí)際的濃度商Q，比較K與Q的大小關(guān)系，即可得知Mg2+以何種形式沉淀。

加完三種除雜試劑后粗鹽溶液總體積V：

V=V水+VBaCl2+VNaOH+VNa2CO3

=20+3+0.25+3=26.25mL

假設(shè)體系中無過量的Ba2+與CO2-3反應(yīng)，假設(shè)實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

在20℃時(shí)，碳酸鈉在水中的溶解度為21.5g［9］， c飽和Na2CO3=1.67mol/L

ρ20%NaOH=1.22g/mL

則［CO2-3］max=c飽和Na2CO3·VNa2CO3V=1.67×326.25

=0.19mol/L

［OH-］=ρ20%NaOH·VNaOH·20%V·MNaOH=1.22×0.25×20%26.25×40

=5.8×10-2mol/L

Q=［CO2-3］max［OH-］2=0.19（5.8×10-2）2=56

Q<

因此，若按教材中的實(shí)驗(yàn)步驟操作，粗鹽中的Mg2+以Mg（OH）2沉淀形式除去。換言之，若要制備堿式碳酸鎂，需要控制氫氧根、碳酸根、鎂離子的濃度在合適比例下，實(shí)際操作中經(jīng)常還要考慮溫度等條件的控制。

4? 用NaOH溶液除去粗鹽中的Mg2+會(huì)不會(huì)生成Mg（OH）2膠體

膠體的形成條件較為嚴(yán)苛，只有當(dāng)分散相粒子的大小落在膠體分散系統(tǒng)的范圍之內(nèi)，同時(shí)保證足夠的穩(wěn)定性才可以形成膠體。制備膠體的方法主要分為分散法和凝聚法，前者是使固體的粒子變小，后者是使分子或離子聚結(jié)成膠粒。通常金屬氫氧化物的膠體制備采用化學(xué)凝聚法，即通過化學(xué)反應(yīng)使生成物呈過飽和狀態(tài)，然后粒子再結(jié)合成膠粒［10］。例如，向沸騰的蒸餾水中滴加幾滴FeCl3溶液，趁熱用滲析法除去HCl，就可以得到穩(wěn)定的Fe（OH）3膠體。

在本實(shí)驗(yàn)中，溶液體系顯然不滿足膠體形成的條件。向粗鹽水中加入過量的NaOH溶液會(huì)使體系中存在大量OH-，而離子濃度對膠體的穩(wěn)定性有著直接影響，OH-濃度太大會(huì)引起膠粒聚沉，直接生成Mg（OH）2沉淀。因此，該實(shí)驗(yàn)用NaOH溶液除去粗鹽中的Mg2+不會(huì)生成Mg（OH）2膠體。

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