Question

18．某实验小组把CO₂通入饱和Na₂CO₃溶液制取NaHCO₃，装置如图1所示（气密性已检验，部分夹持装置略）：

（1）D中产生NaHCO₃的化学方程式是Na₂CO₃+CO₂+H₂O═2NaHCO₃．
（2）请结合化学平衡移动原理解释B中溶液的作用CO₂在水中存在平衡：CO₂+H₂O?H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺，有H₂SO₄存在时，可使上述平衡向左移动，从而减少CO₂在水中的溶解，同时吸收挥发出来的HCl气体．
（3）当D中有大量白色固体析出时，停止实验，将固体过滤、洗涤、干燥备用．为确定固体的成分，实验小组设计方案如下（称取一定质量的固体，配成1000mL溶液作为样液，其余固体备用）：
①方案1：取样液与澄清的Ca（OH）₂溶液混合，出现白色沉淀．
实验小组对现象产生的原理进行分析，认为该方案不合理，理由是Na₂CO₃和NaHCO₃都能跟Ca（OH）₂溶液发生反应生成白色沉淀，无法确定固体的成分中是否含有NaHCO₃．
②方案2：取样液与BaCl₂溶液混合，出现白色沉淀并有气体产生．
实验小组认为固体中存在NaHCO₃，其离子方程式是2HCO₃^-+Ba²⁺=BaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
该小组认为不能确定是否存在Na₂CO₃，你认为该结论是否合理？合理．
③方案3：实验小组中甲、乙同学利用NaHCO₃的不稳定性进行如下实验：
甲同学：取样液400mL，用pH计测溶液pH，再水浴加热蒸发至200mL，接下来的操作是冷却到室温，加水至溶液体积为400mL，再次测定pH，结果表明白色固体中存在NaHCO₃．为进一步证明白色固体是否为纯净的NaHCO₃，结合甲同学实验，还应补充的实验是取相同质量的纯净的NaHCO₃配成1000mL溶液，取400mL，重复甲的实验，进行对照．
乙同学：利用仪器测定了固体残留率随温度变化的曲线，如图2所示．
a．根据A点坐标得到的结论是白色固体为NaHCO₃．
b．根据B点坐标，计算残留固体中n（NaHCO₃：n（Na₂CO₃））=71：42．（残留率=$\frac{剩余固体的质量}{原始固体的质量}$×100%）
通过上述实验，该小组认为，可以向饱和Na₂CO₃溶液中通入过量CO₂制备NaHCO₃．

Answer 1

分析 A装置中反应制备CO₂，其中有杂质HCl、H₂O（g），B装置既减少CO₂的溶解，又能吸收HCl，C装置干燥CO₂，D装置制备碳酸氢钠，
（1）由图可知，A中生成二氧化碳，在D中二氧化碳与碳酸钠、水反应生成碳酸氢钠；
（2）B中酸可抑制二氧化碳的溶解；
（3）①Na₂CO₃和NaHCO₃都能跟Ca（OH）₂溶液发生反应生成白色沉淀；
②样液与BaCl₂溶液混合，现白色沉淀并有气体产生，沉淀为碳酸钡、气体为二氧化碳；Na₂CO₃和BaCl₂溶液混合也能生成沉淀；
③a．A点说明碳酸氢钠分解，残留率为63.09%；
b．B点残留率为80%，设原来有100克NaHCO₃，反应后剩余80克，减少20克是CO₂和H₂O的质量，列方程组计算．

解答 解：A装置中反应制备CO₂，其中有杂质HCl、H₂O（g），B装置既减少CO₂的溶解，又能吸收HCl，C装置干燥CO₂，D装置制备碳酸氢钠，
（1）由图可知，A中生成二氧化碳，在D中二氧化碳与碳酸钠、水反应生成碳酸氢钠，该反应为Na₂CO₃+CO₂+H₂O═2NaHCO₃，
故答案为：Na₂CO₃+CO₂+H₂O═2NaHCO₃；
（2）B中酸可抑制二氧化碳的溶解，则B中溶液的作用为CO₂在水中存在平衡：CO₂+H₂O?H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺，有H₂SO₄存在时，可使上述平衡向左移动，从而减少CO₂在水中的溶解，同时吸收挥发出来的HCl气体，
故答案为：CO₂在水中存在平衡：CO₂+H₂O?H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺，有H₂SO₄存在时，可使上述平衡向左移动，从而减少CO₂在水中的溶解，同时吸收挥发出来的HCl气体；
（3）①Na₂CO₃和NaHCO₃都能跟Ca（OH）₂溶液发生反应生成白色沉淀，所以无法确定固体的成分中是否含有NaHCO₃，
故答案为：Na₂CO₃和NaHCO₃都能跟Ca（OH）₂溶液发生反应生成白色沉淀，无法确定固体的成分中是否含有NaHCO₃；
②样液与BaCl₂溶液混合，现白色沉淀并有气体产生，沉淀为碳酸钡、气体为二氧化碳，离子反应为2HCO₃^-+Ba²⁺=BaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；Na₂CO₃和BaCl₂溶液混合也能生成沉淀，则不能确定是否存在Na₂CO₃，结论合理，
故答案为：2HCO₃^-+Ba²⁺=BaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；合理；
③甲同学：取样液400mL，用pH计测溶液pH，再水浴加热蒸发至200mL，接下来的操作是冷却到室温，加水至溶液体积为400mL，再次测定pH，可确定固体存在碳酸氢钠，补充实验为取相同质量的纯净的NaHCO₃配成1000mL溶液，取400mL，重复甲的实验，进行对照，
故答案为：冷却到室温，加水至溶液体积为400mL，再次测定pH；取相同质量的纯净的NaHCO₃配成1000mL溶液，取400mL，重复甲的实验，进行对照；
乙同学：a．A点说明碳酸氢钠分解，残留率为63.09%，可知白色固体为碳酸氢钠，
故答案为：白色固体为NaHCO₃；
b．B点残留率为80%，设原固体100g，则B点残留固体为80g，设生成碳酸钠为x，则
2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O△m
             106          62
               x         100g-80g
则：x=$\frac{106（100g-80g）}{62}$=34.2g，
n（NaHCO₃）=$\frac{80g-34.2g}{84g/mol}$=0.55mol，
n（Na₂CO₃）=$\frac{34.2g}{106g/mol}$=0.32mol，
n（NaHCO₃）：n（Na₂CO₃）=71：42，
故答案为：71：42．

点评 本题考查制备方案的设计，题目难度较大，涉及物质的性质、化学平衡、差量法计算、图象分析较等知识，试题知识点较多、综合性较强，（3）为解答的难点，试题培养了学生的分析能力及化学实验能力．