Question

5．研究性学习的本质在于，让学生亲历知识产生与形成的过程．我校某化学研究性学习小组欲以CO₂为主要原料，采用如图1所示装置模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO₃，并对CO₂与NaOH的反应进行探究．
【资料获悉】“侯氏制碱法”原理：NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl，然后再将NaHCO₃灼烧制成Na₂CO₃．
【实验设计】如图1所示
【实验探究】
（1）装置乙的作用是除去CO₂中的HCl．
（2）若在NaHCO₃灼烧中时间较短，NaHCO₃将分解不完全．取经短暂加热的NaHCO₃样品29.6g完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中缓慢地滴加稀盐酸，并不断搅拌．随着盐酸的加入，溶液中有关离子的物质的量的变化如图22所示．则曲线b对应的溶液中的离子是CO₃^2-（填离子符号）；该样品中Na₂CO₃和NaHCO₃的物质的量之比是3：1．
（3）若将装置甲产生的纯净的CO₂1.68L（标准状况下）缓慢地全部通入到100mL NaOH溶液中，充分反应后，将溶液低温蒸干，得到不含结晶水的固体W，其质量为7.4g，则W的成分为Na₂CO₃和NaHCO₃（填化学式），原NaOH溶液的物质的量浓度为1.25mol/L．

Answer 1

分析 （1）装置甲是制备二氧化碳，气体中含有氯化氢气体对后续实验产生干扰，需要除去；
（2）混合物是碳酸钠和碳酸氢钠，滴入盐酸发生反应CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-、HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；依据图象分析碳酸根离子减小，碳酸氢根离子增多；
（3）根据CO₂与NaOH的反应所得产物的可能性来讨论．

解答 解：（1）装置甲是制备二氧化碳气体的反应装置，生成的二氧化碳气体中含有氯化氢气体，对制备碳酸氢钠有影响，装置乙的作用是吸收氯化氢气体，
故答案为：除去CO₂中的HCl；
（2）碳酸氢钠灼烧的时间较短，NaHCO₃将分解不完全，取加热后的NaHCO₃样品29.6g 完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中缓慢地滴加稀盐酸，并不断搅拌．随着盐酸的加入会发生反应 CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-、HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；溶液中有关离子的物质的量的变化为碳酸根离子减小，碳酸氢根离子浓度增大，当碳酸根离子全部转化为碳酸氢根离子，再滴入盐酸和碳酸氢根离子反应生成二氧化碳，碳酸氢根离子减小，所以b曲线表示的是CO₃^2-浓度变化，碳酸根离子浓度0.3mol；碳酸氢根离子浓度为0.1mol，样品中Na₂CO₃和NaHCO₃物质的量之比是3：1，
故答案为：CO₃^2-；3：1；
（3）标准状况下1.68L二氧化碳的物质的量为：$\frac{1.68L}{22.4L/mol}$=0.075mol，CO₂与NaOH溶液反应时，根据NaOH是否过量分情况讨论：
若NaOH过量或恰好完全反应，0.075molCO₂与NaOH反应后生成0.075molNa₂CO₃，Na₂CO₃的质量为：m=nM=0.075mol×106g/mol=7.95g＞7.4g，故假设不成立；说明NaOH不过量，即所得的固体中为Na₂CO₃或NaHCO₃或两者的混合物，
设所得的固体中Na₂CO₃的物质的量为xmol，NaHCO₃的物质的量为ymol，
根据碳元素的守恒可有：x+y=0.075mol①
根据所得固体的质量为7.4g可得：106x+84y=7.4g②
解得：x=0.05mol、y=0.025mol，
根据所得固体中Na₂CO₃为0.05mol，NaHCO₃为0.025mol，根据钠元素的守恒可知，NaOH的物质的量n=0.05mol×2+0.025mol×2=0.125mol，
故NaOH的物质的量浓度c=$\frac{0.125mol}{0.1L}$=1.25mol/L，
故答案为：Na₂CO₃和NaHCO₃； 1.25 mol/L．

点评 本题考查了工业制纯碱的原理及其应用，题目难度中等，明确实验目的及实验原理为解答关键，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算、化学实验能力．