Question

15．某化學(xué)小組欲以CO₂主要為原料，采用如圖所示裝置模擬“侯氏制堿法”制取NaHCO₃，并對(duì)CO₂與NaOH的反應(yīng)進(jìn)行探究．請(qǐng)你參與并完成對(duì)有關(guān)問題的解答．
【資料獲悉】
“侯氏制堿法”原理：NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl然后再將NaHCO₃制成Na₂CO₃．
【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

【實(shí)驗(yàn)探究】
（1）裝置乙的作用是除去CO₂中的HCl．
（2）由裝置丙中產(chǎn)生的NaHCO₃制取Na₂CO₃時(shí)，需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作有過濾、洗滌、灼燒．NaHCO₃轉(zhuǎn)化為Na₂CO₃的化學(xué)方程式為2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑．
（3）若在（2）中灼燒的時(shí)間較短，NaHCO₃將分解不完全，取加熱了t₁min的NaHCO₃樣品29.6g完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中緩慢地滴加稀鹽酸，并不斷攪拌．隨著鹽酸的加入，溶液中有關(guān)離子的物質(zhì)的量的變化如圖所示．

則曲線c對(duì)應(yīng)的溶液中的離子是HCO₃^-（填離子符號(hào)）；該樣品中NaHCO₃和Na₂CO₃的物質(zhì)的量之比是1：2．
（4）若將裝置甲產(chǎn)生的純凈的CO₂1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）通入100mLNaOH溶液中，充分反應(yīng)后，將溶液小心蒸干，得到不含結(jié)晶水的固體W，其質(zhì)量為5.08g，則W的成分為Na₂CO₃和NaHCO₃（填化學(xué)式），原NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度為0.9mol/L．

Answer 1

分析 （1）裝置甲是制備二氧化碳，氣體中含有氯化氫氣體對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，需要除去；
（2）依據(jù)分離固體與液體采用的實(shí)驗(yàn)操作分析解答；NaHCO₃轉(zhuǎn)化為Na₂CO₃的方法是固體加熱分解；
（3）混合物是碳酸鈉和碳酸氫鈉，滴入鹽酸發(fā)生反應(yīng)CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；  HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；依據(jù)圖象分析碳酸根離子減小，碳酸氫根離子增多；
（4）根據(jù)CO₂與NaOH的反應(yīng)所得產(chǎn)物的可能性來討論．

解答 解：（1）裝置甲是制備二氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)裝置，生成的二氧化碳?xì)怏w中含有氯化氫氣體，對(duì)制備碳酸氫鈉有影響，裝置乙的作用是吸收氯化氫氣體，
故答案為：除去CO₂中的HCl；
（2）分離出NaHCO₃晶體的操作是分離固體與液體，常采用的實(shí)驗(yàn)操作是過濾操作，碳酸氫鈉受熱分解生成二氧化碳、碳酸鈉、水，反應(yīng)為：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑，
故答案為：過濾；2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑；
（3）若在（2）中灼燒的時(shí)間較短，NaHCO₃將分解不完全，該小組對(duì)一份加熱了t₁min的NaHCO₃樣品的組成進(jìn)行了研究．取加熱了t₁min的NaHCO₃樣品29.6g 完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中緩慢地滴加稀鹽酸，并不斷攪拌．隨著鹽酸的加入，發(fā)生反應(yīng) CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；  HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；溶液中有關(guān)離子的物質(zhì)的量的變化為碳酸根離子減小，碳酸氫根離子濃度增大，當(dāng)碳酸根離子全部轉(zhuǎn)化為碳酸氫根離子，再滴入鹽酸和碳酸氫根離子反應(yīng)生成二氧化碳，碳酸氫根離子減小，所以c曲線表示的是碳酸根氫離子濃度變化，碳酸根離子濃度0.2mol/L；碳酸氫根離子濃度為0.1mol/L，樣品中NaHCO₃和Na₂CO₃物質(zhì)的量之比是1：2；
故答案為：HCO₃^-；1：2；
（4）CO₂1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）即為0.05mol，CO₂與NaOH溶液反應(yīng)時(shí)，根據(jù)NaOH是否過量，分情況討論：
若NaOH過量或恰好完全反應(yīng)，0.05molCO₂與NaOH反應(yīng)后生成0.05molNa₂CO₃，則Na₂CO₃的質(zhì)量m=nM=0.05mol×106g/mol=5.3g＞5.08g，故假設(shè)不成立；說明NaOH不能過量，即所得的固體中為Na₂CO₃或NaHCO₃或兩者的混合物．
設(shè)所得的固體中Na₂CO₃的物質(zhì)的量為Xmol，NaHCO₃的物質(zhì)的量為Ymol，
根據(jù)碳元素的守恒可有：X+Y=0.05mol①
根據(jù)所得固體的質(zhì)量為5.08g可有：106X+84Y=5.08g②
解得X=0.04mol    Y=0.01mol
故所得的固體中既含Na₂CO₃又含NaHCO₃；
根據(jù)所得固體中Na₂CO₃為0.04mol，NaHCO₃為0.01mol，根據(jù)鈉元素的守恒可知，NaOH的物質(zhì)的量n=0.04mol×2+0.01mol=0.09mol，
故NaOH的物質(zhì)的量濃度C=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.09mol}{0.1L}$=0.9mol/L，
故答案為：Na₂CO₃和NaHCO₃； 0.9 mol/L．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了 工業(yè)制純堿的原理分析，生產(chǎn)過程中的物質(zhì)變化，混合物成分的分析判斷和計(jì)算應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程分析，除雜操作，尾氣吸收，圖象定量分析判斷，題目難度中等．