关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验研究
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关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验研究
人教版高中化学必修教材[1]第一册32页有这样一个实验:在两只试管中分别加入3mL稀盐酸,将两个各装有0.3gNa2CO3和NaHCO3粉末的小气球分别套在两只试管口。将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中,比较它们放出CO2的快慢。由此实验得出的结论是:Na2CO3和NaHCO3都能与稀盐酸反应,但NaHCO3与稀盐酸的反应要比Na2CO3与稀盐酸的反应剧烈得多。笔者认为该实验存在如下问题:
1 对这个实验的质疑
1.1 教材中没有指明稀盐酸的具体浓度
只要是稀盐酸就可以吗?浓度小于等于6mol/L的盐酸都是稀盐酸,笔者将6mol/L的稀盐酸同时加入Na2CO3和NaHCO3固体中,反应现象同样的剧烈,根本分辨不出Na2CO3和NaHCO3。笔者通过大量的实验证明只有浓度小于1mol/L的稀盐酸跟Na2CO3和NaHCO3反应才能根据反应的剧烈程度区分Na2CO3和NaHCO3。鲁科版化学新教材中把这个实验中盐酸的浓度定为
0.5mol/L,应该也是基于这方面的考虑。
1.2 用等质量的Na2CO3、NaHCO3与等量盐酸反应比较速率科学吗?
化学反应速率的快慢不仅取决于物质的性质,还与反应物的浓度有关。0.3g Na2CO3的物质的量为0.0028mol,0.3g NaHCO3的物质的量为0.0036mol,加入3mL稀盐酸后,如果不考虑溶液体积变化,Na2CO3的物质的量浓度为0.93mol/L,NaHCO3的物质的量浓度为1.2mol/L,由此NaHCO3与等量盐酸反应来比较反应速率是不科学的。
1.3 通过产生气体的量比较反应速率科学吗?
根据化学反应方程式,盐酸浓度为1mol/L(该浓度可以根据与盐酸的反应现象区分出碳酸钠和碳酸氢钠)时:
上述两个反应盐酸的量都是不足的,产生气体的量应该由盐酸的量来计算,而盐酸的量是相同的,因此在不考虑误差的情况下,气球胀得应该是一样大的。若盐酸是足量的,NaHCO3比Na2CO3产生的CO2气体多,是因为等质量的Na2CO3物质的量比NaHCO3物质的量小,跟反应速率是没有关系的,所以用产生气体的量来比较反应速率也是不科学的。
2 Na2CO3和NaHCO3与20mL 6mol/L盐酸反应热效应的定量测定
在实验过程中发现,Na2CO3和NaHCO3与稀盐酸反应的热效应是明显不同的,Na2CO3与稀盐酸反应有明显的放热现象,而NaHCO3与稀盐酸反应有明显的吸热现象,关于这一点有关资料也提到了,但是未见有对其热效应进行系统定量研究的。笔者设计了如下实验,用定量研究的方法来证明二者与稀盐酸反应的热效应不同:分别取两只试管,加入等质量的Na2CO3和NaHCO3固体,通过滴液漏斗以相同的速率滴加20mL 6mol/L盐酸,由温度计的温度变化比较二者热效应的不同。实验装置如下:
实验结果见表1:
表1 相同质量的Na2CO3、NaHCO3与20mL 6mol/L
盐酸反应的温度变化(室温15℃)
(20mL6mol/L 盐酸与6gNa2CO3 、NaHCO3、应都是足量)
通过实验结果我们可以看出,随着反应物质量的逐渐增加,反应后溶液的温度变化逐渐明显;这能不能就说明Na2CO3与稀盐酸反应是一个放热过程,而NaHCO3与稀盐酸反应就是一个吸热过程呢?有没有可能是固体溶于水的热效应呢?于是又做了如下对照实验:分别将同样质量的Na2CO3 、NaHCO3固体溶于20mL的水中,测量溶液的温度变化,实验结果见表2:
表2 相同质量Na2CO3 、NaHCO3溶于水的温度变化
(注:20℃时,NaHCO3的溶解度为9.6g/100g水,随着温度的降低NaHCO3的溶解度逐渐减小,故15℃时,3g NaHCO3溶于20mL水后即形成了饱和溶液,再增加NaHCO3的质量,溶液温度不再变化)
通过以上结果可以看出,Na2CO3溶于水伴有一定的放热现象,NaHCO3溶于水伴有一定的吸热现象,因为Na2CO3中的碳酸根离子为价阴离子,溶解时水合热较大,对外表现放热,NaHCO3的晶体中碳酸氢跟与氢键相连,在溶解的过程中需要吸收一定的热量来破坏氢键,碳酸氢跟水解也吸收一定的热量,所以对外表现为吸热,但是对比两组实验的数据,我们可以看到Na2CO3跟稀盐酸反应也是放热反应;而NaHCO3跟稀盐酸反应以后,溶液的降温幅度比溶于水后的降温幅度更大,NaHCO3跟稀盐酸反应是吸热反应。我们可以从这两个反应的标准摩尔反应焓变找到原因:
①
②
表3 几种物质标准状况下的生成焓(数据来源于[2])
根据公式:
反应①
反应②
(,此反应为吸热反应。)
3 鉴别Na2CO3和NaHCO3的方法
基于以上的实验及分析,笔者提出了鉴别Na2CO3和NaHCO3的方法:在两只小烧杯中,各加入9mL 6mol/L盐酸,分别向其中加入3g Na2CO3、NaHCO3固体,迅速将小烧
杯放在事先已经滴有6滴水的玻璃片上,随着反应的进行,由于NaHCO3与稀盐酸反应吸收热量而使玻璃片上的水结冰,从而将玻璃片与小烧杯粘在一起,Na2CO3与稀盐酸反应则使烧杯发烫。(实验时的室温为23℃)