Question

14．请你参与某学习小组进行研究性学习的过程，并协助完成相关任务：
【研究课题】：探究热水壶底部水垢的主要成分
【查阅资料】：该小组同学通过查阅资料知道，天然水中一般都含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等离子，在加热时，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、碱等的混合物）．同时，他们还查阅到下列有关物质的溶解性：

物质	Ca（HCO3）2	Mg（HCO3）2	Ca（OH）2	Mg（OH）2	CaCO3	MgCO3
溶解性	可溶	可溶	微溶	不溶	不溶	微溶

【提出猜想】：水垢的主要成分一定含有CaCO₃和，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃．
【设计方案】：
（1）甲同学在烧杯中放入少量研碎的水垢，加入适量蒸馏水充分搅拌，取上层清液加入，没有白色沉淀，说明水垢中无Ca（OH）₂；
（2）乙同学设计下列实验装置，进一步确定水垢中含有碳酸盐的成分，步骤如下：
①按图1组装仪器，将50g水垢试样放入锥形瓶中，加入足量某酸溶液；
②测量一定时间内干燥管内物质增加的质量（见下列曲线）；
③待锥形瓶中不再产生气泡时，打开活塞B，从导管A处缓缓鼓入一定量的空气；
④再次称量干燥管内物质增加的质量；
⑤重复③和④的操作，直至干燥管内物质质量不变．

a．步骤①所加的酸溶液是稀盐酸．
b．装置Ⅱ的作用是吸收CO₂中的水；
从导管A处缓缓鼓入一定量的空气的作用是使装置中的二氧化碳全部被碱石灰吸．
c．研究性小组的同学通过简单计算，认为水垢中一定含有MgCO₃，理由是即使50g水垢全部为CaCO₃，产生CO₂的质量应为22g，而实验测得生成的CO₂质量＞22g．
【实验结论】通过上述探究可知：水垢的主要成分有Mg（OH）₂、CaCO₃、MgCO₃．

Answer 1

分析 本实验探究物质的组成成分以及含量，证明碳酸盐（CO₃^2-检验方法），二氧化碳的化学性质，酸的物理性质及用途，碱的化学性质．
【提出猜想】：根据水垢的成分及题中所给物质的溶解性表可以提出猜想．
【设计方案】：（1）从检验钙离子的方法上入手分析．
（2）a：根据实验操作步骤分析即可；实验室用稀盐酸溶解碳酸钙．
b：碱石灰是碱性干燥剂，可以吸收酸性气体，氢氧化钠可以吸收二氧化碳气体．
c：从二氧化碳的量上去分析．
【实验结论】：根据猜想和计算即可确定水垢的成分．

解答 解：【提出猜想】根据题意可知，水垢的主要成分为碳酸盐、碱等物质的混合物，再结合物质的溶解性表可知，水垢中一定含Mg（OH）₂和CaCO₃，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃；
【设计方案】
（1）检验Ca²⁺要用可溶性的碳酸盐，如Na₂CO₃溶液，因为二者能反应产生沉淀．
（2）a．由于水垢中存在有碳酸钙，而硫酸与碳酸钙反应会生成微溶于水的硫酸钙，覆盖在碳酸钙的表面，阻止了反应的进一步进行，故溶解碳酸盐一般用稀盐酸；
b．因为该实验是要通过测定生成二氧化碳的质量来确定水垢的成分，而从锥形瓶中出来的二氧化碳气体是不干燥的，且都会被干燥管内的物质吸收，从而影响到结果的测定，所以二氧化碳气体在进入干燥管之前必须经过干燥，浓硫酸恰可以用来干燥二氧化碳气体；由于气压的原因，最后锥形瓶中会残存有一定量的二氧化碳气体，故从导管A处缓缓鼓入一定量的空气吗，可以使装置中的所有二氧化碳都能被碱石灰所吸收．
c．根据化学方程式的计算可知，即使50g水垢全部为CaCO₃，产生CO₂的质量也仅为22g，而实验测得生成的CO₂质量为24g，比22g多，所以水垢中一定还有MgCO₃．
【实验结论】实验猜想中已经确定有Mg（OH）₂和 CaCO₃，而根据（2）的计算可知还应该含有MgCO₃，故水垢的主要成分有Mg（OH）₂、CaCO₃和MgCO₃．
故答案为：
【提出猜想】Mg（OH）₂； MgCO₃；
【设计方案】
（1）Na₂CO₃溶液；
（2）a．稀盐酸；
b．吸收CO₂中的水；使装置中的二氧化碳全部被碱石灰吸收；
c．即使50g水垢全部为CaCO₃，产生CO₂的质量应为22g，而实验测得生成的CO₂质量＞22g
【实验结论】Mg（OH）₂、CaCO₃、MgCO₃．

点评 在解此类题时，首先要会分析题中所涉及的反应原理，然后结合反应原理和计算所要用到的数据进行分析解答．对于验证型实验探究，要熟记物质的性质或变化规律，根据给出的实验设计方案，进行实验、分析和探究，并通过观察、记录和分析的实验现象，来验证该物质的性质或变化规律等．