澄清石灰水與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)的探究

伍強(qiáng) 趙賢祥 杜明桂

摘要： 設(shè)計(jì)將石灰水注入盛有二氧化碳?xì)怏w的礦泉水瓶中，再劇烈振蕩的實(shí)驗(yàn)探究方案。用發(fā)射光譜儀測(cè)定飽和澄清石灰水以及飽和碳酸氫鈣溶液的總鈣離子濃度，得出石灰水與二氧化碳反應(yīng)生成濁液、膠體和溶液3種分散系所對(duì)應(yīng)的飽和石灰水稀釋倍數(shù)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 澄清石灰水； 二氧化碳； 碳酸鈣； 碳酸氫鈣； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）4-0075-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

飽和澄清石灰水至少稀釋多少倍，再與CO2氣體反應(yīng)，反應(yīng)液完全變澄清。有不少研究者做了實(shí)驗(yàn)探究，得出飽和石灰水稀釋的倍數(shù)相差很大。

嚴(yán)宣申查閱了相關(guān)數(shù)據(jù)并做了實(shí)驗(yàn)探究。20℃時(shí)Ca（OH）2溶解度為0.165g（0.022mol·L-1），25℃和CO2分壓為1.01×105Pa時(shí)CaCO3的溶解度為0.094g（0.0094mol·L-1）。CO2氣體通入飽和澄清石灰水，溶液出現(xiàn)混濁，混濁度加大，而后混濁度減輕，但無(wú)論如何得不到澄清溶液[1]。用4～5倍水稀釋飽和石灰水，再通入CO2后可得澄清溶液[2]。

許燕紅等也查閱了相關(guān)數(shù)據(jù)并做了實(shí)驗(yàn)探究。18℃時(shí)Ca（OH）2的溶解度約為0.164g（0.022mol·L-1），18℃和CO2分壓為9.95×104Pa時(shí)CaCO3的溶解度為1.086g·L-1（0.011mol·L-1）。在18℃實(shí)驗(yàn)時(shí)，飽和澄清石灰水與蒸餾水以30mL和20mL混合時(shí)，續(xù)通CO2氣體8min以上混濁不能完全變澄清；以25mL和25mL混合時(shí)，續(xù)通CO2氣體109.64s完全變澄清[3]。

為此，設(shè)計(jì)將石灰水注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，再劇烈振蕩的實(shí)驗(yàn)探究方案，得出石灰水與CO2反應(yīng)生成濁液、膠體和溶液3種分散系所對(duì)應(yīng)的飽和石灰水稀釋倍數(shù)。

1 飽和澄清石灰水的配制、取用和測(cè)定

飽和澄清石灰水的配制。取3000mL試劑瓶，加入30g分析純Ca（OH）2，再加入蒸餾水，塞上橡皮塞不斷搖動(dòng)幾分鐘，靜置一段時(shí)間再不斷搖動(dòng)幾分鐘，然后靜置3天或更長(zhǎng)時(shí)間。用激光筆照射石灰水無(wú)光路或極微弱光路（從垂直照射方向觀察，下同）。

飽和澄清石灰水的取用。換上帶有導(dǎo)管的橡皮塞，如圖1所示，用洗耳球?qū)?zhǔn)橡皮管口吸氣，使澄清石灰水自動(dòng)放出。

圖1 飽和澄清石灰水取用裝置圖

飽和澄清石灰水總鈣離子濃度的測(cè)定。取飽和澄清石灰水200mL，再加入1mL濃鹽酸，測(cè)定總鈣離子濃度。

實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能做到石灰水飽和、澄清、不與空氣中CO2反應(yīng)。本研究中總鈣離子濃度均由美國(guó)Perkin Elmer公司制造（型號(hào)： OPTIMA8000）的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀來(lái)測(cè)定。

2 二氧化碳?xì)怏w的制取和收集

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在燒瓶中加入適量的NaHCO3晶體，在分液漏斗中加入6mol·L-1H2SO4，用排水法將CO2氣體收集到550mL礦泉水瓶中備用。大理石與稀鹽酸反應(yīng)制取的CO2氣體中含有少量的HCl氣體，因此本實(shí)驗(yàn)用NaHCO3晶體與稀H2SO4反應(yīng)制取CO2氣體，避免HCl氣體的干擾。

圖2 二氧化碳?xì)怏w制取和排水法收集裝置

3 生成飽和Ca（HCO3）2溶液時(shí)飽和石灰水稀釋倍數(shù)

3.1 控制室內(nèi)溫度25℃的實(shí)驗(yàn)

量取100mL飽和澄清石灰水，注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈振蕩，反應(yīng)液先變混濁再變澄清（或微濁），用激光筆照射反應(yīng)液有光路。靜置幾個(gè)小時(shí)（不可搖動(dòng)），礦泉水瓶底黏附明顯的白色沉淀物。以同樣方法制備9個(gè)樣品。靜置1天，量取3個(gè)樣品中反應(yīng)液200mL再加入1mL濃鹽酸，測(cè)定總鈣離子濃度。分別靜置2天、3天以同樣方法測(cè)定反應(yīng)液總鈣離子濃度，結(jié)果見表1（注： 表中總鈣離子濃度已不是原溶液總鈣離子濃度，下同）。

表1 25℃時(shí)飽和澄清石灰水以及反應(yīng)液的總鈣離子濃度

靜置2天與靜置3天的反應(yīng)液，其總鈣離子濃度非常接近，且用激光筆照射反應(yīng)液無(wú)光路，因此靜置3天的反應(yīng)液總鈣離子濃度就是25℃、 CO2分壓為1大氣壓時(shí)CaCO3的溶解度。要生成飽和Ca（HCO3）2溶液，飽和澄清石灰水稀釋倍數(shù)： （2.12×10-2-9.96×10-3）÷（9.96×10-3）=1.13（倍）。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度25℃時(shí)，飽和澄清石灰水以1∶1.13稀釋（忽略溶液混合時(shí)體積的變化），反應(yīng)生成飽和Ca（HCO3）2溶液。

3.2 控制室內(nèi)溫度20℃的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法同上，測(cè)得各溶液總鈣離子濃度見表2。

表2 20℃時(shí)飽和澄清石灰水以及反應(yīng)液的總鈣離子濃度

要生成飽和Ca（HCO3）2溶液，飽和澄清石灰水稀釋倍數(shù)： （2.19×10-2-1.04×10-2）÷（1.04×10-2）=1.11（倍）。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度20℃時(shí)，飽和澄清石灰水以1∶1.11稀釋（忽略溶液混合時(shí)體積的變化），反應(yīng)生成飽和Ca（HCO3）2溶液。

4 生成澄清CaCO3膠體時(shí)飽和石灰水稀釋倍數(shù)

在室內(nèi)溫度為20℃至25℃時(shí)，取100mL飽和澄清石灰水再加20mL水（一般情況加10mL即可），注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈振蕩，反應(yīng)液先變混濁再變澄清，靜置幾十天未見白色沉淀物，用激光筆照射反應(yīng)液有光路。

結(jié)論： 室內(nèi)溫度20℃至25℃時(shí)，飽和澄清石灰水以1∶0.2～1∶1.1稀釋，反應(yīng)生成澄清的CaCO3膠體；大于1∶0.2稀釋，反應(yīng)可能生成CaCO3濁液；小于1∶1.1稀釋，反應(yīng)生成澄清的Ca（HCO3）2溶液。

5 碳酸鈣的陳化現(xiàn)象

許多化合物都有陳化性質(zhì)，只是陳化程度和陳化所需時(shí)間不盡相同而已。然而組成和結(jié)構(gòu)的改變卻是陳化的共同原因[4]。為探究CaCO3是否有明顯的陳化現(xiàn)象，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1 在室內(nèi)溫度為25℃時(shí)，取飽和澄清石灰水50mL再加60mL水，注入盛有CO2氣體的550mL礦泉水瓶中，旋緊瓶蓋立即劇烈上下振蕩，連續(xù)5次，反應(yīng)液由混濁變澄清。

實(shí)驗(yàn)2 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)1大體相同，只是注入石灰水后先靜置5min，然后劇烈上下振蕩，連續(xù)50次，反應(yīng)液仍然混濁。不時(shí)振蕩，幾個(gè)小時(shí)或幾天后反應(yīng)液也不變澄清。

結(jié)論： 澄清石灰水和CO2反應(yīng)生成CaCO3，剛生成的CaCO3較易與CO2反應(yīng)，生成的CaCO3靜置幾分鐘后就難以再與CO2反應(yīng)，CaCO3陳化現(xiàn)象明顯。

氣溫越高，靜置時(shí)間越長(zhǎng)，陳化現(xiàn)象越明顯。將石灰水置于廣口瓶中，再通入CO2氣體，生成的CaCO3與CO2沒有充分接觸，反應(yīng)速率慢，CaCO3陳化現(xiàn)象明顯，反應(yīng)液難以變澄清。

6 實(shí)驗(yàn)探究的思考

有的研究者因忽略澄清石灰水與CO2氣體反應(yīng)生成膠體分散系以及CaCO3的陳化現(xiàn)象，僅憑理論計(jì)算求得25℃和CO2分壓為1大氣壓時(shí)CaCO3的溶解度： 7.3×10-3mol·L-1[5]、 8.27×10-3mol·L-1[6]、 8.74×10-3mol·L-1[7]、 9.75×10-3mol·L-1[8]，從而錯(cuò)誤地認(rèn)為澄清石灰水濃度大于CaCO3溶解度時(shí)（兩者均以物質(zhì)的量濃度表示），通入CO2氣體反應(yīng)液最終一定混濁；小于CaCO3溶解度時(shí)，反應(yīng)液最終一定澄清。事實(shí)上，將濃度大于CaCO3溶解度的石灰水置于試管中，快速通入CO2氣體有可能生成澄清的膠體；將濃度小于CaCO3溶解度的石灰水置于廣口瓶中，緩慢通入CO2氣體有可能生成濁液。嚴(yán)宣申老師用4～5倍水稀釋飽和石灰水，再通入CO2后可得澄清溶液，并真實(shí)地記錄了實(shí)驗(yàn)情況，這給了我們思考的空間。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可設(shè)計(jì)如下方案來(lái)演示實(shí)驗(yàn)： 室內(nèi)溫度20℃至25℃時(shí)，將飽和澄清石灰水以1∶0.2～1∶1.1稀釋，注入盛有CO2氣體的礦泉水瓶中再劇烈振蕩。此方案使反應(yīng)物充分接觸，反應(yīng)速率快，有效地防止CaCO3陳化，反應(yīng)液呈現(xiàn)先變混濁再變澄清的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如果刻意得到飽和的Ca（HCO3）2溶液，則飽和澄清石灰水以1∶1.1稀釋。制取濃度相對(duì)較大的澄清分散系，目的是演示Ca（HCO3）2熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)以及Ca（HCO3）2與NaOH溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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