Question

10．某校化学小组对热水壶底部水垢的主要成分进行了如下探究，请完成以下活动并回答相关问题．
【查阅资料】天然水中含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等离子，在加热条件下，这些离子趋于生成溶解度更小的物质--水垢（主要成分为碳酸盐和碱）．有关物质的溶解性见下表：
部分钙、镁化合物溶解性表（20℃）

	OH-	CO32-	HCO3-
Ca2+	微溶	不溶	可溶
Mg2+	不溶	微溶	可溶

【提出猜想】水垢的主要成分中一定含有
CaCO₃和Mg（OH）₂，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃（填化学式）．
【设计方案】
实验1：确定水垢中是否含Ca（OH）₂和CaCO₃

实验步骤	实验现象	结论
在少量研碎的水垢中，加入适量的蒸馏水充分搅拌，过滤，在滤液里加入Na2CO3溶液．	没有白色沉淀产生	没有氢氧化钙

实验2：确定水垢中是否含MgCO₃
利用下列实验装置，完成实验2探究．其主要实验步骤如下：

称量D、E装置总质量为200.0g，按上图组装后，将2.5g水垢试样放入锥形瓶中，加入足量稀盐酸溶液，待锥形瓶中不再产生气泡时，打开止水夹K，从导管a处缓缓鼓入空气，一段时间后称量装置D、E的总质量为201.25g（碱石灰主要成分为CaO和NaOH，不考虑装置内空气对实验的影响）．
【实验讨论】
（1）加入样品前还应检查装置的气密性，装置B中盛放稀盐酸的仪器名称为分液漏斗，装置C的作用是除去二氧化碳中含有的水蒸气，反应结束后打开止水夹K，缓缓鼓入空气的目的是将残留在装置中的二氧化碳全部排入D、E装置中充分吸收，装置A的作用是吸收空气中的二氧化碳．A、B装置之间不要设置干燥装置（填“要”、“不要”），其理由是C装置可以除去二氧化碳的水蒸气．
（2）装置B中生成气体的化学反应方程式为CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑（只要求写一种）
装置D中的化学反应方程式为CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O．
（3）装置B中生成CO₂的质量为4.4 g．通过计算说明水垢中A含MgCO₃（填字母）．
A．一定        B．一定不       C．可能          D．无法确定
计算过程（已知CaCO₃相对分子质量为100、MgCO₃相对分子质量为84）：
实验3：确定水垢中是否含有Mg（OH）₂
另取质量为2.50g水垢，加3.65%稀盐酸与之反应，测得消耗稀盐酸w g．结合以上实验，判断当w的值满足w＞56.8 条件时，水垢中一定含有Mg（OH）₂（请通过计算说明）．

Answer 1

分析 【提出猜想】首先运用题中溶解性表分析得出提出猜想中的两个空；
【设计方案】实验1：根据氢氧化钙溶液能和碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀进行解答；
【实验讨论】要测定二氧化碳的质量，必须保证装置气密性良好；可以根据反应前后装置D、E的质量差确定生成的二氧化碳的质量，进而确定水垢中是否含有碳酸镁，计算出所用的盐酸的质量分数，从而计算求出是否含有氢氧化镁；
实验3：根据装置D的增重判断生成的二氧化碳的质量为1.25g；
设水垢均为2.50g碳酸钙，根据方程式计算可生成的二氧化碳1.1g，所以含碳酸镁；
根据碳酸钙、碳酸镁、氢氧化镁与盐酸反应的方程式，分别计算它们2.50g消耗盐酸的质量，其中氢氧化镁消耗最多，其次为碳酸镁，假设2.50g全为碳酸镁，消耗盐酸56.8g，w＞56.8g时，定有氢氧化镁．

解答 解：【提出猜想】由题中溶解性表知碳酸钙和氢氧化镁不溶于水，其余的氢氧化钙、碳酸镁微溶，碳酸氢钙和碳酸氢镁都溶于水，故水垢的主要成分中一定含有：CaCO₃、Mg（OH）₂故填：CaCO₃；Mg（OH）₂；
【设计方案】
实验1：氢氧化钙溶液能和碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，所以

实验步骤	实验现象	结论
在少量研碎的水垢中，加入适量的蒸馏水充分搅拌，过滤，在滤液里加入Na2CO3溶液．	没有白色沉淀产生	没有氢氧化钙

故填：没有氢氧化钙；
【实验讨论】：（1）因为实验需要测定生成的二氧化碳的质量，需要保证装置不漏气，所以需要检查装置的气密性；装置B中盛放稀盐酸的仪器名称为分液漏斗；浓硫酸具有吸水性，所以装置C的作用是除去二氧化碳中含有的水蒸气；反应结束后打开止水夹K，缓缓鼓入空气是为了将装置中的二氧化碳全部吸收；装置A的作用是吸收空气中的二氧化碳．A、B装置之间不要设置干燥装置，其理由是C装置可以除去二氧化碳的水蒸气；
故填：检查装置的气密性；分液漏斗；除去二氧化碳中含有的水蒸气；将残留在装置中的二氧化碳全部排入D、E装置中充分吸收；吸收空气中的二氧化碳；
C装置可以除去二氧化碳的水蒸气；
（2）装置B中是碳酸钙能与盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳，而D中是二氧化碳和氢氧化钠溶液反应生成碳酸钠和水；故填：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑；CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O；
（3）反应前后D、E装置的质量差为：201.25g-200g=1.25g，设生成1.25g二氧化碳需要碳酸钙的质量为x
CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑
100                                    44
x                                        1.25g
$\frac{100}{x}=\frac{44}{1.25g}$
解得x=2.84g，而水垢的质量为2.5g，故一定含有能生成二氧化碳的碳酸镁存在；故填：4.4；A；
实验3：由实验2可知：2.5g水垢与盐酸反应生成1.25g二氧化碳；据碳酸钙、碳酸镁与盐酸反应方程式可知生成1.25g二氧化碳恰好需要3.65%的稀盐酸的质量；
设需要稀盐酸的质量是x，由CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，MgCO₃+2HCl=MgCl₂+H₂O+CO₂↑可知：
2HCl～CO₂
73       44
3.65%×x 1.25g
$\frac{73}{3.65%×x}=\frac{44}{1.25g}$
x=56.8g
由CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，MgCO₃+2HCl=MgCl₂+H₂O+CO₂↑，Mg（OH）₂+2HCl=MgCl₂+2H₂O可知：
CaCO₃～2HCl～MgCO₃～Mg（OH）₂；
100     73   84     58
可知：等质量的碳酸镁、碳酸钙、氢氧化镁，氢氧化镁消耗盐酸质量最多，所以当实际消耗盐酸质量大于56.8时，水垢中一定含有氢氧化镁．故填：w＞56.8．

点评 即考查了实验也考查了根据化学方程式的计算，培养了学生实验分析能力和根据化学方程式计算能力及运用极值法解题的思想．本题考查了常见物质成分的推断，完成此题，可以依据物质的性质结合题干提供的信息进行．