Question

8．某化学小组欲以CO₂主要为原料，采用下图所示装置模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO₃，并对CO₂与NaOH的反应进行探究．请你参与并完成对有关问题的解答．
[资料获悉]
1．“侯氏制碱法”原理：NH₃+CO₂+H₂O+NaCl═NaHCO₃↓+NH₄Cl，然后再将NaHCO₃制成Na₂CO₃．
2．Na₂CO₃与盐酸反应是分步进行：Na₂CO₃先与盐酸反应生成NaHCO₃；然后再发生NaHCO₃+HCl═NaCl+H₂O+CO₂↑
[实验设计]

[实验探究]
（1）装置乙的作用是除去CO₂中的HCl．
（2）由装置丙中产生的NaHCO₃制取Na₂CO₃时，需要进行的实验操作有过滤、洗涤、灼烧．NaHCO₃转化为Na₂CO₃的化学方程式为2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑．
（3）若在（2）中灼烧的时间较短，NaHCO₃将分解不完全，取加热了t₁min的NaHCO₃样品29.6g完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中缓慢地滴加稀盐酸，并不断搅拌．随着盐酸的加入，溶液中有关离子的物质的量的变化如图所示．

则曲线c对应的溶液中的离子是HCO₃^-（填离子符号）；该样品中NaHCO₃和Na₂CO₃的物质的量之比是1：2．
（4）若将装置甲产生的纯净的CO₂2.24L（标准状况下）通入100mLNaOH溶液中，充分反应后，将溶液小心蒸干，得到不含结晶水的固体W，其质量为10.16g，则W的成分为Na₂CO₃和NaHCO₃（填化学式），原NaOH溶液的物质的量浓度为0.18mol/L．

Answer 1

分析 （1）装置甲是制备二氧化碳，气体中含有氯化氢气体对后续实验产生干扰，需要除去；
（2）依据分离固体与液体采用的实验操作分析解答；NaHCO₃转化为Na₂CO₃的方法是固体加热分解；
（3）混合物是碳酸钠和碳酸氢钠，滴入盐酸发生反应CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；  HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；依据图象分析碳酸根离子减小，碳酸氢根离子增多；
（4）根据CO₂与NaOH的反应所得产物的可能性来讨论．

解答 解：（1）装置甲是制备二氧化碳气体的反应装置，生成的二氧化碳气体中含有氯化氢气体，对制备碳酸氢钠有影响，装置乙的作用是吸收氯化氢气体，
故答案为：除去CO₂中的HCl；
（2）分离出NaHCO₃晶体的操作是分离固体与液体，常采用的实验操作是过滤操作，碳酸氢钠受热分解生成二氧化碳、碳酸钠、水，反应为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑，
故答案为：过滤；2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑；
（3）若在（2）中灼烧的时间较短，NaHCO₃将分解不完全，该小组对一份加热了t₁min的NaHCO₃样品的组成进行了研究．取加热了t₁min的NaHCO₃样品29.6g 完全溶于水制成溶液，然后向此溶液中缓慢地滴加稀盐酸，并不断搅拌．随着盐酸的加入，发生反应 CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；  HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O；溶液中有关离子的物质的量的变化为碳酸根离子减小，碳酸氢根离子浓度增大，当碳酸根离子全部转化为碳酸氢根离子，再滴入盐酸和碳酸氢根离子反应生成二氧化碳，碳酸氢根离子减小，所以c曲线表示的是碳酸根氢离子浓度变化，碳酸根离子浓度0.2mol/L；碳酸氢根离子浓度为0.1mol/L，样品中NaHCO₃和Na₂CO₃物质的量之比是1：2；
故答案为：HCO₃^-；1：2；
（4）CO₂2.24L（标准状况下）即为0.1mol，CO₂与NaOH溶液反应时，根据NaOH是否过量，分情况讨论：
若NaOH过量或恰好完全反应，0.1molCO₂与NaOH反应后生成0.1molNa₂CO₃，则Na₂CO₃的质量m=nM=0.1mol×106g/mol=510.6g＞10.16g，故假设不成立；说明NaOH不能过量，即所得的固体中为Na₂CO₃或NaHCO₃或两者的混合物．
设所得的固体中Na₂CO₃的物质的量为Xmol，NaHCO₃的物质的量为Ymol，
根据碳元素的守恒可有：X+Y=0.1mol①
根据所得固体的质量为10.16g可有：106X+84Y=10.16g②
解得X=0.08mol    Y=0.02mol
故所得的固体中既含Na₂CO₃又含NaHCO₃；
根据所得固体中Na₂CO₃为0.08mol，NaHCO₃为0.02mol，根据钠元素的守恒可知，NaOH的物质的量n=0.08mol×2+0.02mol×2=0.18mol，
故NaOH的物质的量浓度C=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.18mol}{0.1L}$=0.18mol/L，
故答案为：Na₂CO₃和NaHCO₃； 0.18 mol/L．

点评 本题考查了 工业制纯碱的原理分析，生产过程中的物质变化，混合物成分的分析判断和计算应用，实验过程分析，除杂操作，尾气吸收，图象定量分析判断，题目难度中等．