Question

4．实验室有一瓶长期暴露在空气中的氢氧化钠固体样品，观察发现，样品表面有白色粉末．某兴趣小组的同学对该样品的成分及含量进行了探究．
【提出问题1】该样品中含有那些物质？
【提出猜想】通过分析，提出如下猜想：
猜想Ⅰ：全部是NaOH      猜想Ⅱ：已完全变质，该样品中只含Na₂CO₃；
猜想Ⅲ：部分变质，该样品中含有NaOH和Na₂CO₃．
【查阅资料】CO₂在饱和碳酸氢钠溶液中几乎不溶解．
【实验探究1】为确定该样品的成分，小明设计了如表实验方案，请你一起完成下列实验报告．

实验操作	实验现象	实验结论
1）取少量样品溶于水，加入过量的CaCl2溶液	白色沉淀产生	该反应的化学方程式：CaCl2+Na2CO3=2NaCl+CaCO3 氢氧化钠已经变质
2）将上述反应后的混合物过滤，取滤液加入酚酞溶液	变红	证明猜想Ⅲ正确

回答下列问题（1）实验室中，氢氧化钠固体应怎样保存？密封保存
（2）用酚酞试液不能（填“能”或“不能”）检验氢氧化钠变质．
（3）若取少量的固体溶于水，滴加几滴稀盐酸，没有气泡产生．不能（填“能”或“不能”）证明氢氧化钠固体没有变质．
【提出问题2】如何测量该部分变质样品中碳酸钠的质量分数？
【实验探究2】小红同学设计如图所示装置（铁架台略去），实验在20℃，101kPa下进行，步骤如下：
①按图连接好装置；
②检查装置气密性
③用托盘天平准确称取该样品2g，放入A中试管内，向B中集气瓶中倒入饱和碳酸氢钠溶液至瓶颈处；
④向分液漏斗中加入稀硫酸，打开活塞，让稀硫酸滴入试管中至过量，关闭活塞．反应结束后，量筒中收集到饱和碳酸氢钠溶液224mL．
请回答下列问题：
（1）B中集气瓶盛放的饱和碳酸氢钠溶液不能用水代替，其理由避免CO₂溶解在水中有损耗，导致测定结果偏低．
（2）试管中原有的空气对实验结果没有明显影响理由是因为试管中原有空气的体积与反应后试管中没有排尽的二氧化碳的体积几乎等同．
（3）变质氢氧化钠样品中碳酸钠的质量分数为53%（20℃，101kPa下，22.4L二氧化碳的质量为44g）
【拓展提高】已知Na₂CO₃溶液与稀硫酸反应先生成NaHCO₃，当Na₂CO₃全部转化为NaHCO₃后，生成的NaHCO₃能继续与稀硫酸反应生成CO₂．现向样品中加一定量的稀硫酸，反应后产生无色气体并得到X溶液．请分析推断反应后所得X溶液的溶质，其所有的可能组成Na₂SO₄和NaHCO₃、Na₂SO₄、Na₂SO₄H₂SO₄．

Answer 1

分析 【提出问题1】
【提出猜想】部分变质，该样品中既有氢氧化钠也有碳酸钠；氢氧化钠变质是与二氧化碳反应生成碳酸钠和水；
【实验探究】根据碳酸钠溶液与氯化钙溶液反应生成了碳酸钙和氯化钠，其中碳酸钙为固体，而氯化钠为中性溶液，所以为了确认氢氧化钠是否存在，应该加入过量的氯化钙溶液，然后再取上层清液，加入酚酞溶液进行判断即可．根据碳酸钠和氢氧化钠都显碱性，都能和稀盐酸反应回答．
【提出问题2】
（1）二氧化碳会溶于水；
（2）根据试管中原有空气体积与后留下的二氧化碳的体积相等回答；
（3）根据二氧化碳的质量求算出碳酸钠的质量，进而求出变质氢氧化钠样品中碳酸钠的质量分数；
【拓展提高】根据加入稀硫酸的量可以确定反应后所得X溶液中的溶质．

解答 解：【提出问题1】
【提出猜想】部分变质，该样品中既有氢氧化钠也有碳酸钠；氢氧化钠变质是与二氧化碳反应生成碳酸钠和水，反应方程式为：CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O；
【实验探究】氯化钙溶液和碳酸钠反应生成白色沉淀碳酸钙和氯化钠，所以若观察到产生了白色沉淀，则说明在该固体中含有碳酸钠，该反应的化学方程式为：Na₂CO₃+CaCl₂═CaCO₃↓+2NaCl；
碳酸钠被完全反应后，若溶液能够使酚酞溶液变红，则说明溶液呈碱性，从而可以判断该溶液中含有氢氧化钠，则猜想Ⅲ成立；若酚酞试液没有变红，说明不含有氢氧化钠，则猜想Ⅲ成立；所以实验室中氢氧化钠固体应密封保存；由于碳酸钠和氢氧化钠都显碱性，故不能用酚酞试液检验；
若取少量的固体溶于水，滴加几滴稀盐酸，没有气泡产生，不能断定氢氧化钠固体没有变质，因为盐酸很少先和氢氧化钠反应，只有滴加过量稀盐酸时，才能判断有没有变质生成的碳酸钠．
【提出问题2】
（1）反应过程中要生成二氧化碳，而二氧化碳会和水反应或是溶于水，所以如果用水会导致实验结果的偏差；
（2）试管中原有的空气对实验结果没有明显影响理由是因为试管中原有空气的体积与反应后试管中没有排尽的二氧化碳的体积几乎等同；
（3）224mL二氧化碳的质量是0.44g，
设变质氢氧化钠样品中碳酸钠的质量为x
Na₂CO₃+2HCl═2NaCl+H₂O+CO₂↑    
106                   44  
x                    0.44g
$\frac{106}{x}=\frac{44}{0.44g}$
x=1.06g  
所以变质氢氧化钠样品中碳酸钠的质量分数为$\frac{1.06g}{2g}$×100%=53%．   
【拓展提高】向样品中加一定量的稀硫酸，反应后产生无色气体，说明稀硫酸和氢氧化钠完全反应后，剩余的稀硫酸和碳酸钠完全反应后仍然有剩余，不然就不会生成二氧化碳了．
当稀硫酸过量时，X中的溶质是硫酸钠和硫酸；
当硫酸适量时，和氢氧化钠反应生成硫酸钠，和碳酸钠反应生成硫酸钠和碳酸氢钠，稀硫酸再和碳酸氢钠反应生成硫酸钠、水和二氧化碳，X中的溶质是硫酸钠；
当稀硫酸不足时，和氢氧化钠反应生成硫酸钠，和碳酸钠反应生成硫酸钠和碳酸氢钠，再和部分碳酸氢钠反应生成硫酸钠、水和二氧化碳，X中的溶质是硫酸钠和碳酸氢钠．
故答案为：
【提出问题1】
①NaOH和Na₂CO₃
②过量的CaCl₂溶液
③CaCl₂+Na₂CO₃=2NaCl+CaCO₃ 
④酚酞溶液；⑤变红；⑥密封保存；
⑦不能；⑧不能 
【提出问题2】
（1）避免CO₂溶解在水中有损耗，导致测定结果偏低；
（2）因为试管中原有空气的体积与反应后试管中没有排尽的二氧化碳的体积几乎等同
（3）53%  
【拓展提高】Na₂SO₄，Na₂SO₄  H₂SO₄

点评 本题考查了氢氧化钠变质的检验、变质程度的测定及除杂的问题，综合性较强，难度较大，特别是语言的表达；解这类题目时，选择试剂很重要，要注意在检验和除杂的不同，在除去杂质的同时，原物质不能减少，但可以增多，且反应后不能生成新的杂质．