鈣化合物教學中若干問題的注釋

文章編號：1005－6629(2008)03－0074－02中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

本文擬想對 Ca(OH)2→CaCO3→Ca(HCO3)2的化學教學的知識細微與末節提供幾點注釋，供同仁教學時參考。

1 怎樣配制飽和石灰水

把較多的石灰與水混合振蕩、靜置，等未溶解的石灰沉下去后，上層的清液就是飽和溶液。什么時候用完了，還可以添加水，振搖幾下，靜置，再用上層清液[1]。此外實驗者還另須注意三點：

第一，按上述的配備方法，不能認為只要有固體存在，添上些水就能長年累月地從這瓶里取飽和石灰水。因為沒有溶完的Ca(OH)2能與水中的CO2作用生成不溶性CaCO3。這樣，長期存放之后，上層溶液就不是飽和石灰水了。

第二，鑒于Ca(OH)2隨溫度的升高溶解度有所降低，因此，冬天配制的飽和石灰水到了夏天還可以是飽和的。但是夏天配制的飽和石灰水到了冬天就是不飽和的了。

第三，如果在配制石灰水時加入一些食鹽，由于鹽效應的作用，可以明顯地增大Ca(OH)2 的溶解度，配制得更大濃度的石灰水。如果用相同濃度的稀鹽酸去滴定這兩種不同的石灰水（用酚酞作指示劑），你會發現加了食鹽的飽和石灰水，要比沒有加食鹽的飽和石灰水耗去更多滴數的稀鹽酸。

2 關于石灰水與CO2反應的三個實驗

2.1 石灰水與CO2反應的現象

在一個試管里，注入2/3體積的飽和石灰水，加入1~2滴酚酞，當通入用水洗滌過的CO2，待酚酞的紅色剛好消失時，會生成大量的白色沉淀（現象上，此時具有最大的白色渾濁度）。

2.21體積飽和石灰水，當Ca2+全部沉淀為CaCO3時實際需要多少體積的CO2？

用排水取氣法集滿一瓶（125mL）CO2， 與相同體積的一瓶加有食鹽增溶的飽和石灰水，瓶口對瓶口，抽取蓋玻片，上下左右用力多次振蕩，讓石灰水與CO2充分反應。一般說來，當溶有酚酞的飽和石灰水的紅色剛好消失時，石灰水可以達到最大渾濁度。表明1體積飽和石灰水吸收1體積CO2，可以達到生成最多量的碳酸鈣沉淀。

2.3可以用飽和石灰水來凈化含有CO2的空氣嗎？

如圖，串聯5-6個試管，注入相同體積的飽和石灰水。當從第1個試管呼出一口氣體時（有文獻指出，呼出氣體中CO2的體積分數約為4%），你會發現，石灰水的渾濁度是逐漸減小的；當呼出第二口氣體時，由1-6的每個試管的渾濁度又在增大，這表明飽和石灰水吸收CO2的速度緩慢。用飽和石灰水來洗滌（凈化）含有CO2的空氣是不恰當的。如果把洗滌液改用NaOH溶液，僅用1-2個洗氣管，即可以洗凈呼出氣體中的CO2。

3.把CO2發生器導出的CO2，經過洗氣瓶充分水洗后導入飽和石灰水。實驗現象是：溶液出現渾濁，渾濁度增大，而后渾濁度降低，但（無論如何）得不到澄清溶液，何故？

眾所周知，CO2與石灰水有如下反應

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O①

CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2②

渾濁，渾濁度增至最大，表明反應①的速度快，而且很徹底；渾濁度降低，表明反應②在進行，無論如何得不到澄清溶液，表明CaCO3沒有完全溶解，反應②進行得不徹底，或者是Ca(HCO3)2在有CO2（H2CO3）環境溶液中的溶解度不大。

CO2不能使渾濁的石灰水徹底澄清的現象，理論上可以作如下的解釋：

CaCO3之所以溶于CO2水溶液（H2CO3），實則是由于

H2O+CO2→H++HCO-3③

③式向溶液提供可以溶解CaCO3的HCO-3，生成可溶性Ca(HCO3)2。也正是因為可溶性Ca(HCO3)2的生成，Ca(HCO3)2 有比CO2和H2O的溶液提供更大濃度的HCO-3的能力。當它作用于③式時，使③式的平衡向逆過程移動。所以當有一定量的Ca(HCO3)2生成之后，以后無論如何再通CO2，也是再通也白通了。這可以用一句通俗的話來形容： Ca(HCO3)2需要在有CO2的環境中發育，但不能在有更多CO2的環境中成長壯大。

4 對Ca(HCO3)2溶解性的理性探索

4.1 向飽和石灰水中通入過量CO2不能制得高濃度 Ca(HCO3)2 的另一個重要原因，是因為石灰的溶解度不大。

即使是按①②兩式完全反應（何況②式反應不完全），則可由飽和石灰水所含 Ca(OH)2 的量知生成CaCO3， 及Ca(HCO3)2的量。由反應式知Ca(OH)2、 CaCO3和Ca(HCO3)2的物質的量（mol）是相同的。由手冊查得： 293K Ca(OH)2溶解度為0.165g，則Ca(OH)2的濃度（mol·L-1）（因飽和石灰水是稀溶液，可設其密度為1.00g·mL-1）為

0.165×1000/100÷74=0.022mol·L-1

1L飽和 Ca(OH)2 將與CO2生成0.022mol CaCO3、0.022mol Ca(HCO3)2。CaCO3的摩爾質量為100g/mol，則CaCO3再次溶解的量為2.2g/L，或0.22g/100mL~0.22g/100g水[2]（更何況②式反應不完全）。很明顯，溶解的質量為“0.22g/100g水”這已是微溶，接近難溶（0.01g/100g水）的標準了。如此說來，在這樣的條件下， Ca(HCO3)2的溶解的量比石灰（Ca(OH)2）的溶解度還小，也當屬“微溶”物之列。

4.2早就有眾多的實驗者試圖將飽和CaCl2與飽和NaHCO3溶液混合制得高濃度的Ca(HCO3)2。

但是這種嘗試都行不通。實際生成大量的CaCO3沉淀，僅在沉淀后的上層清液中可以檢驗出有Ca(HCO3)2的存在。

4.3 對Ca(HCO3)2存在的真實性的釋疑與解惑

第一， 初中化學教科書歷來有如下的文字敘述：

“溶有碳酸氫鈣的水如果受熱或遇壓強突然變小時，溶解在水里的碳酸氫鈣就會分解……

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑”

第二，Ca(HCO3)2 出現在一些文獻和高考試題中：

傅獻彩著《實用化學縱覽》（南京大學出版社1989年版）， 對Ca(HCO3)2的溶解度有如下的數據：

1995年上海高考題I卷15題：純凈的Ca(HCO3)2試樣在高溫下分解，當剩余的固體質量為原試樣的一半時，Ca(HCO3)2的分解率是（ ）。

A.50%B.75%C.92.7%D.100%

第三，筆者盡可能多地查閱的化學文獻和大型化學化工詞典，化學試劑手冊，都沒有碳酸氫鈣的詞條，更不用說有這種試劑出售。

第四，筆者注意到《化學教育》1990年3期43頁，有人撰文的標題竟是“Ca2+和HCO-3能在溶液中大量共存嗎？”文章論述的結果的基本結論是：“20℃時，Ca2+和HCO-3不能在水溶液中大量共存。”

綜上， 對于Ca(HCO3)2存在的真實性，根據第一，第二，似乎應該寧可信其有 （安全，有書為證，沒風險）不可信其無； 根據第三、第四，似乎又應該寧可信其無（不安全，有離經叛道的風險）不可信其有。

盡管，第一和第二的材料把 Ca(HCO3)2 說得如此逼真，但是4.1和4.2的事實表明：CaCO3+H2O+CO2＝Ca(HCO3)2是一個可逆反應，正反應是有限的。即使用CaCl2提供高濃度的Ca2+，用NaHCO3（或NH4HCO3）提供高濃度的HCO-3，它們主要生成CaCO3的事實證明，Ca2+與HCO-3 不能大量共存。 溶有 Ca(HCO3)2 的水溶液在加熱， 減壓，甚至在室溫下都會分解殆盡，事實上也不存在粉末形態的固體 Ca(HCO3)2試劑。 因此要想制得比 0.022mol·L-1 Ca(HCO3)2 濃度還要大得多的Ca(HCO3)2溶液，是根本不可能的。讀者注意，如果根據上表所列的數據：20℃時 Ca(HCO3)2 的溶解度是16.6g計算，20℃時Ca(HCO3)2溶液的濃度約是1mol·L-1!比0.022mol·L-1大了近50倍，這是很難想象的。

從邏輯上可以這樣認識： Ca(HCO3)2就和H2CO3、H2SO3一樣， 它們只存在于溶液中，但不能從溶液中分離出純品—不能分離出固體的 Ca(HCO3)2。

參考文獻:

[1]王夔.和中學生談學習化學[M].北京出版社，1980.7.

[2]嚴宣申編著.化學實驗的啟示與科學思維的訓練[M].北京大學出版社，1993.14~15.

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。”