Question

3．小明暑假里去北京旅游，发现他所住宾馆的电热水壶里有很多水垢．水壶的水烧开后，水面还漂着一层白色的东西．他设法取了一些水垢，准备回校后与同学小军一起做进一步的探究．
【研究课题】探究水壶底部水垢的主要成分，并通过实验测定某主要成分的含量．

【查阅资料】小明通过查阅资料知道，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、碱等混合物）．同时，他还查阅到有关物质的溶解性：
【提出猜想】
（1）水垢的主要成分一定含有Mg（OH）₂和CaCO₃，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃．
【设计方案】
（2）小明同学在烧杯中放入少量研碎的水垢，加入适量蒸馏水，充分搅拌后，取适量上层清液于试管中，再滴加Na₂CO₃溶液，没有白色沉淀产生，说明水垢中无Ca（OH）₂
（3）小军设计了如图甲所示的实验装置，测定水垢中碳酸盐的含量．实验步骤如下：
①按图甲组装仪器，将50克水垢试样放入锥形瓶中，加入足量的某酸溶液． 该实验中检查装置的气密性的操作应在加入样品前（选填“前”或“后”）进行．小军所加的酸是稀盐酸．
②测量5分钟内干燥管内物质增加的质量，（如图乙所示），从图乙看出，第3.5分钟～第5分钟，干燥管内物质增加的质量都是16.5g，这说明水垢中的碳酸盐已完全参与了反应．假设该水垢只含一种碳酸盐，则该水垢中含该种碳酸盐的质量分数为75%或63%．
（4）小明觉得小军测得的该水垢中含该种碳酸盐的质量分数与实际的含量相比会偏低，为减小实验误差，你采取的措施是从导管A处缓缓鼓入一定量的空气．

Answer 1

分析 （1）根据题干信息来分析，天然水中一般都含有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、碱等混合物）．
（2）根据氢氧化钙的化学性质分析解答；利用氢氧化钙能与可溶性碳酸盐生成不溶性的碳酸钙沉淀，可采取滴加碳酸钠溶液的方法检验清液中是否含有氢氧化钙；
（3）对于有气体生成或有气体参加的化学反应，在实验前就需要先检查装置的气密性；并结合碳酸盐的检验方法来分析；
气体质量不再增加，说明反应已经结束，干燥管增重的质量即为碳酸盐与稀盐酸反应生成二氧化碳气体的质量；
（4）根据水垢与稀盐酸反应生成的二氧化碳气体可能没有被碱石灰完全吸收来分析．

解答 解：（1）天然水中的三种主要离子可以结合成碳酸氢钙和碳酸氢镁两种主要物质，根据题干信息可知，在加热的条件下，得到溶解度更小的碳酸盐和碱的混合物，即：碳酸钙、碳酸镁、氢氧化镁、氢氧化钙等；故填：CaCO₃；MgCO₃；
（2）为检验氢氧化钙，取上层清液加入碳酸钠溶液，无白色沉淀出现，说明所取上层清液中不含氢氧化钙；故答案为：滴加Na₂CO₃溶液；
（3）①在向装置中加入药品进行实验前，要检查装置的气密性，以防装置漏气；利用碳酸盐可与稀盐酸完全反应放出二氧化碳，因此，所使用的酸应为稀动盐酸；
故答案为：前；稀盐酸；
②从图乙看出，第3.5分钟～第5分钟，干燥管内物质增加的质量都是16.5g，这说明水垢中的碳酸盐已完全参与了反应，增重的质量即为生成二氧化碳的质量．由题意可知，若水垢中的碳酸盐只有一种，可先假设该碳酸盐是碳酸钙，则设碳酸钙的质量为x
CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑
100                  44
 x                  16.5g
$\frac{100}{44}=\frac{x}{16.5g}$
x=37.5g
则该水垢中含该种碳酸钙的质量分数为：$\frac{37.5g}{50g}×100%$=75%；
若假设该碳酸盐是碳酸镁，则设碳酸镁的质量为y
MgCO₃+2HCl=MgCl₂+H₂O+CO₂↑
84                  44
y                   16.5g
$\frac{84}{44}=\frac{y}{16.5g}$
y=31.5g
则该水垢中含该种碳酸镁的质量分数为：$\frac{31.5g}{50g}×100%$=63%
故答案为：水垢中的碳酸盐已完全参与了反应；75%或63%；
（4）若此方法时，少量的二氧化碳气体存在于装置内，没有完全被碱石灰吸收，因此计算结果偏小，所以应从导管A处缓缓鼓入一定量的空气，以保证生成的二氧化碳气体被完全吸收；故填：从导管A处缓缓鼓入一定量的空气．

点评 根据装置的特点及装置中所盛放药品的性质，对装置的作用进行理解，是解决给出实验装置类探究问题的一个重要手段．