简析废液实验室制二氧化碳废液成分探究及反思

1 提出问题
二氧化碳是人们比较熟悉的一种气体，因为它是人类不可缺少的空气的成分之一。因此，无论什么版本的初中化学教材，都把二氧化碳和氧气放在一起，作为研究气体性质和制取方法的典型。实验室制取二氧化碳的原料综合各方面因素考虑，一般选择块状的大理石或石灰石和稀盐酸。在制备过程中，当反应发生装置中观察不到有气泡产生，液体不再翻滚，一般就认为反应结束了；若在反应发生装置中仍有大块状固体残留，一般就认为反应后固体有剩余，盐酸全部作用完，剩余液呈中性。
但事实是否果真如此？在大试管中加入5粒石灰石，倾倒约试管体积1/3的稀盐酸（1：1），观察不到气泡后，将反应剩余液静置一会儿，取上层清液用pH试纸测其pH值，发现pH值约为1或2，说明废液呈酸性。那废液为什么呈酸性？而此时大试管中依然有固体，难道残留的固体就是石灰石中不与盐酸反应的难溶性杂质吗？难道在这些固体中就没有碳酸钙的存在了吗？基于这些疑惑，笔者进行了相关实验，来研究石灰石与稀盐酸作用后不再有气泡产生时，废液中究竟有些什么成分？若废液呈酸性，剩余的固体成分中是否还有碳酸钙？
2 实验并对实验进行分析

2.1 实验

在大试管中加入5粒左右石灰石，倾倒约试管体积1/3的稀盐酸（1：1）。

2.2 分析

从以上实验和现象不难看出，当石灰石与稀盐酸反应时，在固体表面看不到气泡时，废液还是呈较强的酸性，原因主要有两点：一是当反应几乎停止后，废液中还残留有盐酸；二是废液中溶解有二氧化碳。
为排除二氧化碳的干扰，将废液进行加热（表1，实验1），二氧化碳逸出后，溶液仍然呈酸性，可以充分说明废液中残留有盐酸；而此时盐酸浓度已经变得很稀，反应并没有停止，只是反应速率变得极其缓慢，用肉眼观察不到气泡而已。因此，在实验后的固体残留物中再加少许稀盐酸（1：1）（表1，实验2），由于酸溶液浓度增大，反应速率加快，在残留固体表面又有大量气泡冒出。由于在反应过程中，石灰石表面的碳酸钙逐渐被盐酸所消耗，固体中的碳酸钙分布不均匀，固体表面碳酸钙的质量分数变小，使得盐酸与碳酸钙的接触面积变小，也促使反应速率变慢。
取实验后的上层清液加入未使用过的石灰石颗粒（表1，实验3），增大了碳酸钙与盐酸的接触面积，又能比较明显地观察到有细小的气泡产生。
将反应物放置2天后，取上层清液测其pH值，发现pH值接近7（表1，实验4）。这就说明只要给反应足够长的时间，虽然观察不到明显的实验现象，反应还是能够比较完全地发生。
所以实验室制取二氧化碳，当观察不到气泡时，会出现盐酸与石灰石同时过量，是因为反应尚未结束；但主要由于盐酸浓度变小，反应变得极其缓慢，肉眼很难观察到反应在发生，已经不再适合实验室制取气体。
根据实验的结果和分析，假如用质量分数为14.6%的稀盐酸100 g和足量的大理石反应，能收集得到8.8 g二氧化碳吗？答案应该是“不能”，原因：要得到8.8 g二氧化碳需要14.6 g HCl，而100 g质量分数为14.6%的稀盐酸中的HCl正好是14.6 g，14.6 g HCl是不可能在短时间内被大理石消耗完的。当盐酸浓度降到一定程度后，反应就趋于停止，不再适合制取二氧化碳了，所以要制取并收集到8.8 g二氧化碳，选择14.6%的稀盐酸的量应该大于100 g才比较符合实际情况。
3 实验延伸
2010年苏州市初中化学实验操作考查中有这样一道思考题：向制备二源于：电大毕业论文www.618jyw.com
氧化碳的剩余液中逐滴加入饱和碳酸钠溶液直至过量，混合液中会发生哪些反应？混合液的pH将怎样变化？为此，笔者特地进行了相关实验，如表2所示。
分析：刚开始滴入碳酸钠溶液时，上层会产生白色沉淀，而下降过程中沉淀会消失且有气泡产生。原因是：在刚开始滴加的过程中，碳酸钠局部浓度大，和氯化钙反应生成白色的碳酸钙，但整个溶液酸性较强，碳酸钙在下降过程中与稀盐酸反应生成二氧化碳气体。这个过程中pH值逐渐变大，最后到7。有关反应方程式：
CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑
当盐酸消耗完后，再滴加碳酸钠溶液时，碳酸钠与氯化钙反应产生沉淀，液体不再呈酸性，在下降过程中沉淀不消失，振荡后无气泡。pH等于7维持不变。相关反应方程式：
CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl。
最后，当溶液中的氯化钙被碳酸钠作用完后，再滴加碳酸钠溶液时，没有反应发生，碳酸钠过量，上层清液中无沉淀，无气泡，pH值逐渐变大。
在2010年苏州市中考化学试卷中对本实验有所体现。
【第36题】（4）块状石灰石和适量稀盐酸反应至气泡逸出不明显后，测得其残留液pH等于2。此时取适量反应后溶液，逐滴滴入碳酸钠溶液，并用pH数字探测仪连续监测，得曲线如图1所示[pH为纵坐标，时间s（秒）为横坐标]。
①写出AB段内有关化学方程式：
，
②写出BC“平台”段化学方程式：
。
③CD段上升的原因是：
。
答案：
①CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑
②CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl
③碳酸钠溶液呈碱性，过量的碳酸钠使溶液碱性增强。
以上实验说明氯化钙溶液和碳酸钠溶液能发生反应生成碳酸钙，必须考虑两者所处的环境，如果在酸性环境下两者是不可能反应生成稳定的碳酸钙的。在沪教版九年级化学教材中检验葡萄糖也类似，选择的检验试剂氢氧化铜必须处于碱性环境中，否则得不到砖红色沉淀。这说明化学反应要考虑反应物所处的环境，不能脱离所处的环境。
4 实验反思
1）实验室用石灰石和稀盐酸制取二氧化碳，石灰石表面能持续产生气泡，并逐渐变慢；等到石灰石表面看不到气泡后，测得废液的pH约为2；将废液加热处理，再测pH约为3。如果在碳酸钠粉末中逐滴滴加稀盐酸，产生气泡的速率会很快，等到没有气泡产生时，测得pH约为5.6；将废液加热处理，再测pH约为7。为什么pH值会出现不同的情况？这是因为大理石难溶于水，与盐酸的接触面积有限，不能在短时间内把盐酸消耗完；而碳酸钠易溶于水，在水中以离子形式存在，大大增加了与盐酸的接触面积，所以反应速率很快且能在较短的时间内把盐酸消耗完。由此可见，固体和酸的“反应速率、反应进程、反应完全程度”，不仅和酸的浓度有关，还和固体的水溶性（即固体在水中的溶解性）有关。
2）在沪教版化学九年级上册教材P110～P111有这样一道计算题：
7.某化学兴趣小组为了测定一批石灰石样品中碳酸钙的质量分数，取用2 g石灰石样品，把20 g稀盐酸（氯化氢的水溶液）分4次加入样品中（样品中除碳酸钙外，其余的成分既不与盐酸反应，也不溶解于水），充分反应后经过滤、干燥等操作，最后称量，得实验数据如表3所示。
①从表3数据可知，这四次实验中，第 次石灰石样品中碳酸钙完全反应。
②求石灰石样品中碳酸钙的质量分数。
③煅烧50 t这种石灰石，能得到二氧化碳气体多少吨？
根据石灰石与盐酸反应的实际情况，在时间不足够长的情况下，石灰石中的碳酸钙与盐酸是不可能完全反应的。本题理论上可行，而在实际操作过程中耗时较长，否则误差就比较大，不具有实际意义。
5 结束语
通过实验室制二氧化碳废液成分的探究实验案例，使教师和学生都展开了思维冲突，提供了发现问题、解决问题的契机，为学生创设了体验动手操作的问题情境。因此，教师要切实重视实验教学，深入分析和研究实验过程中存在的一些现象和问题，引领学生进一步思考和探究实验过程中的“意外现象”，充分挖掘实验教学的教育功能。