稀硫酸與大理石顆粒反應制取CO2的實驗探究

摘 要： 常規條件下一般不能用硫酸與大理石反應制備CO2，采用壓力傳感器探究了多種條件下稀硫酸與大理石的反應過程，發現溶液在充分攪拌的條件下，適當降低硫酸溶液的濃度，是可以用硫酸與大理石反應制備CO2的。獲得的優化條件是攪拌速度10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量15mL、細顆粒（15粒/克）大理石用量為15g，制備的CO2可成功用于蠟燭熄滅的性質實驗。

關鍵詞： 二氧化碳制備； 硫酸； 大理石； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）10008205

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

“二氧化碳的實驗室制取與性質實驗”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》學習主題一“科學探究與化學實驗”要求必做實驗之一［1］。實驗室制取CO2時，原料一般采用鹽酸和大理石（或石灰石），而不用硫酸和大理石，有學者還借助于二氧化碳傳感器等數字化實驗證明了硫酸與大理石反應不能制取CO2［2，3］。當采用鹽酸與大理石反應制取CO2時，由于鹽酸的揮發性，導致制取的CO2中含有一定量的HCl氣體，會影響后續CO2的一些性質實驗［4］。那么能否通過適當改變實驗條件，用稀硫酸與大理石反應制取CO2呢？本文通過壓力傳感器探究了多種條件下稀硫酸與大理石的反應過程，結果發現，適當降低硫酸濃度并增加溶液容量，采用小顆粒大理石并增加其用量，在溶液充分攪拌的條件下是可以用大理石和稀硫酸在實驗室制取CO2的。

2 實驗原理

大理石中的碳酸鈣與硫酸反應生成微溶硫酸鈣，通常情況下硫酸鈣會沉積在大理石表面形成一層硫酸鈣膜，阻止硫酸與大理石中的碳酸鈣繼續反應，導致人們認為大理石不能與硫酸反應制取二氧化碳。深入思考發現，只要破壞形成硫酸鈣膜的條件，硫酸與大理石中的碳酸鈣就會繼續反應，就能用大理石與硫酸反應制取二氧化碳。根據沉淀生成原理，SO2-4濃度與Ca2+濃度乘積大于CaSO4的Ksp才能生成CaSO4沉淀，硫酸鈣是微溶性硫酸鹽，其20℃時的溶度積（Ksp）為2.0×10-4［5］，適當降低硫酸濃度并增加溶液的用量，使在CO2制取期間難以生成硫酸鈣沉淀，即硫酸鈣膜。為了進一步破壞硫酸鈣膜的形成，大理石與硫酸反應過程中需對溶液進行充分攪拌，并采用小顆粒大理石且適當增加其用量。

3 實驗裝置

稀硫酸與大理石反應制取CO2的實驗探究裝置如圖1所示。開動電磁攪拌器對錐形瓶中的硫酸溶液進行攪拌，減緩硫酸鈣沉積形成膜層，使硫酸與大理石中碳酸鈣持續反應生成CO2；錐形瓶口用帶玻璃導管的橡膠塞塞緊，生成的CO2氣體通過導管被壓力傳感器檢測轉換成電信號；數據采集器將傳感器轉換的電信號放大成數字信號傳送到計算機存儲，并以圖像形式直觀顯示出來。

4 儀器和藥品試劑

4.1 儀器

威尼爾（Vernier）GPSBTA氣體壓強傳感器、威尼爾（Vernier）LabQuest Mini型數據收集器、數據采集軟件（Logger Pro 3.14.1）、威尼爾（Vernier）STIR電磁攪拌器、125mL磨口錐形瓶、25mL量筒、250mL燒杯、250mL磨口集氣瓶

4.2 藥品試劑

濃硫酸（分析純）、濃鹽酸（分析純）、純凈水、大理石顆粒（將廢棄的裝修用大理石板粉碎成粗、中、細顆粒，對應粒度分別為2粒/克、5粒/克、15粒/克）、小蠟燭

溶液的配制：5.0mol/L HCl溶液儲備液；5.0mol/L H2SO4溶液儲備液；不同濃度的各種溶液可分別用上述儲配液用純凈水稀釋獲得

5 實驗部分

5.1 實驗探究步驟

按圖1所示裝配好實驗探究裝置，實驗操作步驟如下：（1）打開計算機電源，啟動計算機后運行數據采集軟件；（2）檢查裝置氣密性，用手緊握錐形瓶，若觀察“數據采集軟件”界面顯示的氣體壓強數字增大、松手后氣體壓強數字減小表明裝置氣密性良好；（3）按實驗要求設置數據采集參數及圖像顯示參數；（4）將一定粒度大小和質量的大理石顆粒放入錐形瓶中，并放入一顆電磁攪拌子，打開電磁攪拌器電源開關，視實驗要求設置一定的攪拌速度，加入一定體積的硫酸或鹽酸溶液后，立即塞緊橡膠塞并點擊“數據采集軟件”界面數據“采集”按鈕，采集氣體壓力隨時間的變化數據；（5）數據采集結束后，處理、保存數據。

5.2 CO2制備與性質實驗

用硫酸和大理石作原料，在最優的實驗條件下采用圖2所示的裝置制取CO2，集氣瓶收集滿CO2后用玻璃片蓋住瓶口待用。把兩支短蠟燭按圖3所示固定在燒杯內，點燃，拿起上述收集滿CO2的集氣瓶，向燒杯內緩慢傾倒CO2，觀察蠟燭1、2燃燒情況。

6 實驗結果與討論

6.1 硫酸鈣膜形成對酸與大理石反應生成CO2的影響

硫酸與大理石反應生成的碳酸鈣膜會阻止硫酸繼續與大理石中碳酸鈣反應，圖4中曲線4是10mL 0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應的壓強時間曲線，可以看出在120秒內，壓強幾乎沒有變化，說明確實形成硫酸鈣膜阻止了反應的進行，故教材上不選用硫酸與大理石反應制取CO2氣體是有道理的；圖4中曲線3是0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應120秒后將硫酸溶液倒出，再向錐形瓶中加入10mL 0.5mol/L鹽酸后的壓強時間曲線，可以看出前50秒鹽酸與大理石中碳酸鈣幾乎沒有反應，而50秒后壓強逐漸變大，說明硫酸鈣膜逐漸破裂，鹽酸逐漸與裸露的大理石顆粒表面的碳酸鈣反應生成CO2氣體；將0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應120秒后將硫酸溶液倒出，加適量純凈水震蕩，目的是清洗除去大理石表面的硫酸鈣膜，反復清洗三次后加入10mL 0.5mol/L鹽酸后反應的壓強時間曲線如圖4中曲線2所示，可以看出從一開始鹽酸就能與大理石表面的碳酸鈣反應，盡管沒有圖4中曲線1（0.5mol/L鹽酸直接與粗大理石（2粒/克）顆粒反應的壓強時間曲線）反應劇烈，至少說明當H2SO4與5g大理石反應過程中振蕩或攪拌溶液能夠減少硫酸鈣膜在大理石表面的覆蓋率，使反應能夠持續進行。

6.2 攪拌速率對硫酸與大理石反應生成CO2的影響

根據6.1實驗結論，有必要考察攪拌速率對H2SO4與大理石反應過程的影響。圖5是不同攪拌速率下0.25mol/L硫酸與5g粗大理石顆粒（2粒/克）反應的壓強時間曲線。圖中結果表明不同攪拌速率下在同一反應時間內錐形瓶內隨著攪拌速率加快壓強變大，說明生成CO2的氣體多，也就是說攪拌速率越快，硫酸鈣膜越難以形成，大理石表面裸露的面積越大，有更多的大的碳酸鈣與硫酸反應，因此后續研究采用電磁攪拌器最快的攪拌速率10檔（125r/min）攪拌溶液。

6.3 相同攪拌情況下硫酸濃度對硫酸與大理石反應生成CO2的影響

硫酸鈣膜的形成與硫酸濃度緊密相關，也需要考察硫酸濃度對硫酸與大理石反應過程的影響。圖6是攪拌速率1250r/min條件下不同濃度硫酸與5g粗大理石顆粒（2粒/克）反應的壓強時間曲線，圖中結果表明相同的攪拌速率下在同一反應時間內錐形瓶內隨著硫酸濃度的減小壓強變大，說明較低的硫酸濃度下不易形成硫酸鈣膜，有利于反應的持續進行，后續的研究則采用攪拌速率10檔（125r/min）、硫酸濃度為0.1mol/L。

6.4 相同攪拌情況下大理石用量對硫酸與大理石反應生成CO2的影響

其他條件相同時，大理石用量不同，生成的氣體的量也不同。圖7是在攪拌速率10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量10mL條件下，不同用量的粗大理石顆粒（2粒/克）與0.1mol/L硫酸反應的壓強時間曲線。比較圖7中三種不同用量的粗大理石顆粒（2粒/克）的壓強時間曲線，顯示粗大理石顆粒（2粒/克）用量較多時，生成CO2的氣體就越多，因此后續的研究中大理石用量采用15g。

6.5 相同攪拌情況下大理石粒度不同對硫酸與大理石反應生成CO2的影響

其他條件相同時，大理石顆粒的粒度不同，產生的氣體量也不同。圖8是在攪拌速率10檔（1250r/min時）條件下15g粒度不同的大理石顆粒與濃度為0.1mol/L用量為10mL硫酸反應的壓強時間曲線，結果顯示其他條件相同情況下，顆粒越小，大理石顆粒總面積越大，會有更多的碳酸鈣參與反應，考慮到制備小顆粒大理石的難度，后續研究采用的大理石粒度為每克大理石15粒為宜。

6.6 相同攪拌情況下硫酸溶液用量對硫酸與大理石反應生成CO2的影響

圖1所示的探究裝置中，錐形瓶至壓力傳感器是密封的，生成的CO2氣體愈多，錐形瓶內壓強愈大，因此硫酸與大理石反應越快，單位時間內產生的CO2氣體也愈多，壓強隨時間增大也越快，所得的硫酸與大理石反應的壓強時間曲線越陡峭。觀察前述各種條件下硫酸與大理石反應的壓強時間曲線，發現前期曲線比較陡峭，表明單位時間內生成CO2氣體較多，后續階段曲線變化比較緩慢，說明后期反應比較慢，單位時間生成CO2氣體的比較少，主要原因是前述研究僅增加了大理石用量，硫酸用量為10mL沒有改變，導致隨著時間的延長參與反應的硫酸量變少了，生成的硫酸鈣量增加了，大理石表面部分被硫酸鈣膜覆XNOGp2Alw4K7EdgvOfjiayceQm5kQ0p1KP/1WvoZXu8=蓋，硫酸與大理石反應單位時間內生成的CO2氣體變少了，因此應該加大硫酸溶液的用量，這樣一是增加可反應的硫酸的量，二是溶液體積增大了，溶液中可溶性硫酸鈣量也會增加，降低了大理石表面被硫酸鈣膜覆蓋的面積。由于硫酸溶液體積超過15mL、反應時間超過50秒后，錐形瓶內壓力過大（壓強大于130kPa，密封錐形瓶的橡膠活塞就崩開了），故只研究硫酸用量為10mL和15mL兩種情況。圖9是在攪拌速率10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L、細顆粒大理石（15粒/克）用量為15g條件下獲得的，實驗結果表明硫酸用量增加，能保持后續階段反應速度較快的速度進行。

6.7 優化條件下硫酸與大理石反應制備與CO2性質實驗

根據前述實驗結果可以確定制備CO2的最優條件：攪拌速度10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量20mL、細顆粒大理石（15粒/克）用量為15g，采用圖2、圖3裝置和方法進行實驗，燒杯中的蠟燭1、2依次熄滅。

7 結語

綜上所述，充分攪拌溶液（攪拌速率1250r/min）、適當降低硫酸濃度（0.1mol/L），能夠破壞反應體系中硫酸鈣膜的形成條件，使硫酸能與大理石中的碳酸鈣持續反應生成CO2，若再適當增加硫酸溶液的用量（20mL），并降低大理石顆粒的大小（粒度15粒/克用量15克）就能夠用硫酸和大理石制備CO2用于CO2的性質實驗。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 15.

［2］陳俏. 運用CO2傳感器研究CaCO3與鹽酸和硫酸的反應［J］. 化學教與學， 2012， （3）： 93.

［3］朱青. 基于模型認知素養的翻轉課堂教學研究［J］. 福建教育學院學報， 2022， （8）： 39～41.

［4］盛儉發， 徐泓， 鄭軍. 二氧化碳制備中對鹽酸揮發性的監測［J］. 化學教學， 2018， （8）： 66～68.

［5］楊德任. 中學教學全書（化學卷）［M］. 上海： 上海教育出版社， 1996： 898.