實驗室制二氧化碳反應的新發現

黃新階 熊曉明

實驗室里，二氧化碳常用稀鹽酸與大理石（或石灰石，主要成分都是碳酸鈣）反應來制取，反應的化學方程式可以表示如下：

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2CO3

碳酸不穩定，容易分解生成二氧化碳和水

H2CO3=CO2↑+H2O

總的化學方程式是：CaCO3+2HCl=CaCl2+ CO2↑+H2O

以上內容是人民教育出版社9年級化學教科書上冊的一段原文。

稀鹽酸與大理石反應制取二氧化碳是常識，教科書介紹的上述內容似乎是金科玉律。可是筆者琢磨：實驗所用稀鹽酸稀到什么程度？濃度范圍是多少？鹽酸濃度極稀時反應現象怎樣？鹽酸和CaCO3混合是否像反應CaCO3+H2O+CO2 =Ca(HCO3)2一樣生成Ca(HCO3)2——2CaCO3+2HCl=Ca(HCO3)2+CaCl2，Ca(HCO3)2繼續與鹽酸反應Ca(HCO3)2+2HCl=CaCl2+2CO2↑+2H2O？筆者對此進行了實證研究。

一、實驗過程

實驗1：在100ml水中加入2滴約0.1ml38%的濃鹽酸，投入幾粒石灰石，不見有任何反應跡象。

實驗2：把5g碳酸鈣粉末與5ml左右上述稀鹽酸混合，未見氣泡，塞上橡皮塞，連上導管，用排酒精法收集氣體（CO2可以溶于水），第二天也未收到任何氣體。

實驗3：在試管中裝入適量粒狀石灰水，加入1：1的稀鹽酸約5ml，反應激烈，約5分鐘反應停止（沒有氣泡產生）。

實驗4：把上述實驗所得的溶液過濾，在濾液中倒入飽和澄清石灰水或燒堿溶液，都有白色沉淀產生。

二、討論

根據實驗1、2、4，可以推斷：石灰石與極稀的鹽酸接觸，雖然沒有觀察到明顯的現象，但它們之間肯定有反應發生。若鹽酸與石灰石反應后的濾液中只有水和CaCl2，濾液與石灰水混合是不可能出現CaCO3沉淀的。據此可知：

2CaCO3+2HCl=Ca(HCO3)2+CaCl2

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2O

CaCO3的溶度積很小，25℃時只有4.7×10-9 ，即便是濃度很低的石灰水，它解離的氫氧根離子促進HCO3-發生次級電離提供CO32-，CO32-與溶液中的Ca2+結合成CaCO3 。

三、結論

上述四個實驗證明教科書上介紹的鹽酸和CaCO3反應機理的正確性是有條件的（酸過剩且濃度較大）。濃度極低的鹽酸與石灰石反應只生成Ca(HCO3)2，沒有CO2生成。

實驗3、4告訴我們：當CaCO3與較濃的鹽酸混合發生反應：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O，在反應后期，即當鹽酸變得很稀時就發生如下反應：2CaCO3+2HCl=Ca(HCO3)2+CaCl2，生成Ca(HCO3)2。

從實驗結果得知：簡單地闡述鹽酸與石灰石混合產生氣泡顯然不全面，是理所當然所導致的錯誤判斷。

化學反應是復雜的，它因條件變化而變化，所以切不可想當然。科學本身是客觀的，揭示它需要足夠的實證精神和勇氣。