《石灰水中通入二氧化碳實驗》的探究

在澄清石灰水中通入二氧化碳，人們常常觀察到的實驗現象是先有白色渾濁，然后隨著二氧化碳的不斷通入，白色渾濁逐漸消失。有關的化學方程式為：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。因而得出了碳酸鈣與二氧化碳的水溶液反應，生成了無色透明的碳酸氫鈣溶液這個結論。然而，在新課程中學習過沉淀溶解平衡后，有學生對這一過程提出了疑問。筆者想到這是一個很好的培養學生思維和動手能力的機會，因此鼓勵學生親自動手解決這個問題。筆者在實驗及理論分析中提供必要的指導。利用學校每周三下午的研究性學習時間，兩星期后得到如下結果。

學生首先重復做若干次實驗，發現在澄清石灰水中通入足量的二氧化碳確實是先有白色渾濁，繼續通入二氧化碳后白色渾濁“消失”，但不是完全消失，所得的溶液與真正的澄清透明尚有一段距離。靜置一段時間，此時的溶液變得澄清透明，但在試管底部有少量白色固體。而有幾次實驗卻能得到澄清透明的溶液，底部也無任何固體。查表可知：氫氧化鈣的Ksp=4.68×10-6，碳酸鈣的Ksp=4.96 ×10-9，碳酸Ka1=4.30×10-7、Ka2=5.61×10-11。

實驗條件為：常溫，二氧化碳用碳酸鈣和稀鹽酸反應制取。為排除水蒸氣和氯化氫氣體的干擾，先將混合氣通過飽和食鹽水，再用濃硫酸洗氣，最后才通入飽和澄清石灰水。裝置示意圖如下所示：

據此，學生猜測殘留在底部的少量白色固體可能為碳酸鈣。為證實這一想法，用學過的知識進行了如下理論分析。

1首先計算飽和氫氧化鈣中溶解的氫氧化鈣的量

設溶解的氫氧化鈣濃度為s，則有：

2計算碳酸氫根離子的濃度

3 計算電離出碳酸根離子的濃度

實驗中隨著二氧化碳的不斷通入，溶液中碳酸氫根離子濃度逐漸增大。由電離平衡原理可知，碳酸氫根離子的電離程度也在增大。

4 由溶度積常數進行計算分析

結論：從以上數據可得J=1.13×10-8>4.96×10-9。所以，在澄清石灰水中通入過量的二氧化碳雖然能使沉淀減少，但不能使得沉淀完全消失，即不可能得到澄清透明的溶液，更不要說鈣離子與碳酸氫根離子大量共存了。

那么鈣離子能與碳酸氫根離子共存的最大濃度是多少呢？帶著這一問題，筆者又要求學生依照上面的方法進行了如下計算。

由實驗探究和理論分析，學生認識到在水溶液中，鈣離子與碳酸氫根離子不能大量共存，在澄清石灰水中通入過量二氧化碳也不可能得到澄清透明的溶液，除非所取澄清石灰水中Ca2+的濃度小于等于6.03×10-3mol·L-1。

為驗證這一想法的正確性，學生后來又利用一次周三下午的研究性學習課進行了如下實驗。先計算配制100mL 6.03×10-3mol·L-1氫氧化鈣溶液需要的飽和石灰水的體積，得V= =57.4mL。由于儀器所限，實際先用堿式滴定管取用50.00mL，后用吸量管移取了7.40mL，稀釋成100mL的澄清石灰水溶液，此時的澄清石灰水中 c(Ca2+)=5.98×10-3mol·L-1，小于6.03·10-3mol·L-1。向其中通入過量CO2，觀察現象，先出現渾濁，然后消失，最終所得溶液的確澄清透明。

后又取用60.00mL，重復上述實驗，也是先出現渾濁，然后完全消失。由此此時c(Ca2+)=6.30×10-3 mol·L-1， 比6.03×10-3mol·L-1略大一點，但由于肉眼已經無法看到任何明顯的渾濁，此刻也可認為是澄清透明溶液。后又反復實驗，發現如果取20.00ml，此時c(Ca2+)=2.10×10-3mol·L-1，重復上述實驗，則在整個過程中根本無法察覺到先有沉淀產生，后又消失的現象。

至此，對于石灰水中通入二氧化碳的實驗和理論探究全部結束了。筆者以為，在探究性學習中，利用學過的知識，更好地激發學生的學習熱情和培養他們的動手能力是完全可行的。在這次探究中，師生共同探討，真正做到了師生互動、教學相長，在實驗中發掘學生的潛力。至于本文開頭提到的有幾次實驗中得到澄清溶液的問題，筆者認為那是實驗中未注意干燥吸水導致的問題。由于本實驗涉及的幾種物質溶度積不算很小，至少不能與BaSO4這樣的沉淀相比，因此水的存在多少，還是會對實驗產生影響的。在筆者向學生指出這一問題后，學生改進了裝置，加上一濃硫酸的洗氣瓶，這樣出來的結果就與理論符合地較好了。

最后有幾點說明：第一，在整個理論分析中只有第三步在現有新課程蘇教版教材中探討不多，因此第三步理論來源完全由筆者告訴學生，其它幾步的理論基礎在蘇教版中雖所涉不多，但學生在翻閱參考書目后能自己完全看懂。第二，在整個實驗過程中，筆者只教學生做歸納與整理，及必要的理論輔導，數據的最終演算與實驗結果的記錄完全由學生自己完成。第三，筆者已經重新對學生的實驗和演算進行了復核。無計算錯誤。第四，本次探究主要利用學校每周三下午的研究性學習時間。

參考文獻：

[1]北京師范大學無機化學教研室等編.無機化學.上冊[M].第4版.北京：高等教育出版社.2002，318，419.

[2]武漢大學主編.分析化學[M].第3版.北京：高等教育出版社.1995，55-65.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”