二氧化碳制備中對鹽酸揮發性的監測

盛儉發 徐泓 鄭軍

摘要： 利用數字化實驗，將大理石與不同濃度鹽酸反應產生的氣體分別通入蒸餾水和飽和石灰水中。氣體通入蒸餾水中，揮發出來的氯化氫在蒸餾水中的濃度通過氯離子傳感器檢測；氣體通入飽和石灰水中，通過氯離子與pH傳感器檢測其氯離子濃度和pH變化；待氯離子濃度值基本保持不變時，再滴入幾滴濃硝酸。計算機曲線表征表明，生成的碳酸鈣對揮發出來的氯化氫溶解在溶液中的氯離子有吸附作用。

關鍵詞： 數字化實驗； 二氧化碳制備； 鹽酸揮發性監測； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）8006603 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

以“培養學生學科核心素養”為標志的課程改革強調通過課程學習形成學生的關鍵能力和必備品格。在人教版九年級《化學》上冊第六單元“碳和碳的氧化物”，實驗活動2“二氧化碳的實驗室制取與性質”中提到稀鹽酸（1∶2）。本文對于不同濃度鹽酸揮發性的程度問題，以及產生的氣體通入飽和石灰水中生成的碳酸鈣對氯離子的影響提出實驗探究，從而對化學反應中微觀粒子的變化有更深入的認識；運用氯離子和pH傳感器檢測，圖像直觀、生動，解決了實驗中關于不同濃度鹽酸揮發性大小及生成的碳酸鈣對氯離子產生怎樣影響的問題。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器和藥品

實驗儀器： 計算機、Vernier Lab Quest 2數據采集器、氯離子傳感器、pH傳感器、250mL燒杯、具支錐形瓶、分液漏斗、鐵架臺等

藥品： 大理石、濃鹽酸、蒸餾水、飽和石灰水、濃硝酸

2.2 實驗裝置簡圖

2.3 實驗內容

室內溫度19℃，相對濕度92%，氣壓101.3kPa。濃鹽酸中HCl含量為36%～38%，因為在開瓶配制過程中有揮發，按照37%計算，濃鹽酸物質的量濃度約為12molL，按照此濃度配制稀鹽酸。教材中稀鹽酸按照1∶2配制，物質的量濃度大約是4molL，再配制各種不同濃度鹽酸進行揮發性比較研究。

（1） 氯離子傳感器檢測不同濃度鹽酸與大理石反應產生氣體通入蒸餾水中氯離子濃度的變化[1]。

將氯離子傳感器、數據采集器、計算機相連；用氯離子傳感器探頭一開始浸沒于75mL蒸餾水中，用logger Pro軟件采集數據，通過軟件分析并以時間（t）為橫軸、氯離子濃度為縱軸作圖，在大理石和鹽酸還沒反應時開始采集數據，隨后打開分液漏斗活塞，讓不同濃度鹽酸與大理石反應，產生的氣體通入蒸餾水中，觀察圖像的變化。

（2） 氯離子傳感器、pH傳感器檢測不同濃度鹽酸與大理石反應產生氣體通入飽和石灰水時氯離子濃度和pH的變化。

將氯離子傳感器、pH傳感器、數據采集器、計算機相連；用氯離子傳感器探頭、pH傳感器探頭一開始浸沒于75mL飽和石灰水中，用logger Pro軟件采集數據，通過軟件分析并以時間（t）為橫軸、氯離子和pH為縱軸作圖，在大理石和鹽酸還沒反應時開始采集數據，隨后打開分液漏斗活塞，讓不同濃度鹽酸與大理石反應，產生的氣體通入飽和石灰水中，觀察圖像的變化。

（3） 同實驗步驟（2），利用8molL鹽酸制取二氧化碳，產生的氣體通入飽和石灰水中，當氯離子濃度不再變化時，加入幾滴濃硝酸，直到難溶物完全溶解，觀察圖像的變化。

3 結果與討論

（1） 氯離子傳感器檢測不同濃度鹽酸與大理石反應產生的氣體通入蒸餾水時氯離子濃度的變化（見圖2）。

以時間為橫軸，氯離子濃度為縱軸；分析數據得出，在通入氣體大約600秒時，蒸餾水吸收氯離子濃度的數據及曲線見表1、圖3。

從圖2、圖3及表1可知，實驗室二氧化碳制備過程中4molL、 6molL、 8molL鹽酸的揮發性很小，蒸餾水中氯離子濃度分別是1.1mg/L、 1.4mg/L、 3.7mg/L，幾乎可以忽略；9molL鹽酸有一定的揮發性，氯離子濃度為19.0mg/L；鹽酸濃度為10molL、 12molL時揮發性較大，氯離子濃度分別為59.8mg/L、 209.2mg/L，不能忽略。因此在實驗室制備二氧化碳時，一般用濃度低于等于8molL鹽酸，教材選用4molL鹽酸時保證了反應速率適中和鹽酸揮發性較小的特點。

（2） 氯離子傳感器、pH傳感器檢測不同濃度鹽酸與大理石反應產生的氣體通入飽和石灰水時氯離子濃度和pH變化。

由圖4可知，以時間為橫軸，氯離子濃度、pH為縱軸，所列的各種濃度的鹽酸剛開始反應時，氯離子濃度都升高，但反應至pH下降的拐點時，氯離子濃度都下降；對于4molL、 6molL、 8molL鹽酸隨后反應的氯離子濃度基本保持不變，而對于10molL、 12molL鹽酸來說隨后反應的氯離子濃度升高。

分析數據得出，對于4molL、 6molL、 8molL鹽酸，開始由于鹽酸有一定的揮發性，氯離子濃度升高，隨后被生成的碳酸鈣吸附，氯離子濃度反而降低，但鹽酸揮發性畢竟很小，隨后繼續生成的碳酸鈣基本能把揮發出來的氯離子吸附，所以氯離子濃度基本保持不變。

對于10molL、 12molL鹽酸來說，為什么不像4molL、 6molL、 8molL鹽酸那樣后來氯離子濃度基本保持不變，而是進一步升高呢？因為此時的鹽酸揮發性較大，生成的碳酸鈣與揮發出來的氯化氫發生了反應，碳酸鈣溶解，氯離子被釋放，所以氯離子濃度進一步升高。然而不管是哪種濃度的鹽酸，對最終的pH影響都不是很大。為說明氯離子被生成的碳酸鈣吸附，用實驗（3）即可驗證。

（3）同實驗步驟（2），利用8molL鹽酸制備二氧化碳，產生的氣體通入飽和石灰水中，當氯離子濃度不再變化時，滴入幾滴濃硝酸，直到難溶物完全消失，觀察圖像的變化（見圖5）。

由圖5可知，利用8mol/L鹽酸與大理石制備的氣體通入到飽和石灰水中，當氯離子濃度穩定在21.2mg/L時，滴入幾滴濃硝酸，硝酸和碳酸鈣反應，碳酸鈣溶解；最后氯離子濃度穩定在58.7mg/L，大于21.2mg/L。說明被碳酸鈣吸附的氯離子釋放出來了，即驗證了生成的碳酸鈣對氯離子有吸附作用。

4 結語

鹽酸濃度低于8mol/L時，傳統實驗很難檢測到其揮發性程度問題，通過氯離子濃度及pH傳感器的數字化實驗“實時監控”全過程，將不同濃度鹽酸的揮發性直觀、生動地呈現在學生面前，實驗中檢測出碳酸鈣對氯離子的吸附作用是傳統實驗無法完成和感知到的，讓學生對微觀粒子作用有了更深入的認識，有利于對學生化學學科核心素養的培養[2]。數字化實驗對化學四重表征中的微觀表征和曲線表征更是有獨特的優勢[3]，其在課堂上的運用是傳統實驗的重要補充。

參考文獻：

[1]馬善恒，夏建華，姚如富.運用數字化實驗探究氯水中化學平衡的存在[J].化學教學， 2017，（7）： 71～73.

[2]王云生.探索課堂學習活動設計落實核心素養培養要求[J].化學教學， 2016，（9）： 3～6.

[3]高妙添.基于“四重表征”與“手持技術”教學模式的實踐研究[J].化學教育， 2013，（6）： 38～41.