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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
盐酸反应的温度变化(室温15℃)
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质量 |
反应前
温度 |
反应后
温度 |
温度变化 |
质量 |
反应前
温度 |
反应后
温度 |
温度变化 |
1g |
15℃ |
19℃ |
升4℃ |
1g |
15℃ |
13℃ |
降2℃ |
2g |
15℃ |
24℃ |
升9℃ |
2g |
15℃ |
11℃ |
降4℃ |
3g |
15℃ |
29℃ |
升14℃ |
3g |
15℃ |
8℃ |
降7℃ |
4g |
15℃ |
34℃ |
升19℃ |
4g |
15℃ |
6.5℃ |
降8℃ |
5g |
15℃ |
37℃ |
升22℃ |
5g |
15℃ |
5℃ |
降10℃ |
6g |
15℃ |
39℃ |
升24℃ |
6g |
15℃ |
3.5℃ |
降11.5℃ |
(20mL 盐酸与6g 、 反应都是足量)
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 与稀盐酸反应是一个放热过程,而 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 、 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 、 溶于水的温度变化
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质量 |
反应前
温度 |
反应后
温度 |
温度变化 |
质量 |
反应前
温度 |
反应后
温度 |
温度变化 |
1g |
15℃ |
16.5℃ |
升1.5℃ |
1g |
15℃ |
13.5℃ |
降1.5℃ |
2g |
15℃ |
18.5℃ |
升9℃ |
2g |
15℃ |
11.5℃ |
降2℃ |
3g |
15℃ |
29℃ |
升6℃ |
3g |
15℃ |
11.5℃ |
降3.5℃ |
4g |
15℃ |
34℃ |
升8.5℃ |
4g |
15℃ |
11.5℃ |
降3.5℃ |
5g |
15℃ |
37℃ |
升11℃ |
5g |
15℃ |
11.5℃ |
降3.5℃ |
6g |
15℃ |
39℃ |
升13.5℃ |
6g |
15℃ |
11.5℃ |
降3.5℃ |
(注:20℃时, 的溶解度为 水,随着温度的降低 的溶解度逐渐减小,故15℃时,3g 溶于20mL水后即形成了饱和溶液,再增加 的质量,溶液温度不再变化)
通过以上结果可以看出, 溶于水伴有一定的放热现象, 溶于水伴有一定的吸热现象,因为 为 价阴离子,溶解时水合热较大,对外表现放热, 的晶体中 以氢键相连,在溶解的过程中需要吸收一定的热量来破坏氢键, 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 跟稀盐酸反应也是放热反应;而 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, 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 和 的方法
基于以上的实验及分析,笔者提出了鉴别 和 的方法:在两只小烧杯中,各加入 盐酸,分别向其中加入3g 、 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 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, 与稀盐酸反应则使烧杯发烫。(实验时的室温为23℃)
年级 |
高中 |
学科 |
化学 |
版本 |
|
期数 |
|
内容标题 |
关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验研究 |
分类索引号 |
G.622.46 |
分类索引描述 |
辅导与自学 |
主题词 |
关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验研究 |
栏目名称 |
教研论文 |
供稿老师 |
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