Question

15．纯碱是工业生产和日常生活中的重要物质．某兴趣小组为测定某工业纯碱（假设仅含碳酸氢钠杂质）中碳酸钠的质量分数，设计了下列三种实验方案进行探究．请填空：
方案一：纯碱样品$\stackrel{加热}{→}$测定剩余固体质量
（1）分别称取干燥坩埚和纯碱样品的质量，将纯碱样品放人坩埚中充分加热（如图1）．坩埚中发生反应的化学方程式为2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O．
（2）将坩埚置于干燥器中冷却后称量．实验时需要重复“加热一冷却一称量”操作多次，其目的是确保碳酸氢钠完全分解，减少测定误差．
方案二：纯碱样品溶液$\stackrel{氯化钙溶液}{→}$测定沉淀质量
（3）称取m₁g样品，置于小烧杯中，加水溶解．向小烧杯中滴加足量氯化钙溶液（如图2）．将反应混和物过滤后的下一步操作是洗涤．

（4）沉淀经干燥后称量为m₂g，则该样品中碳酸钠的质量分数为$\frac{53{m}_{2}}{50{m}_{1}}$．
（5）如果用氢氧化钙溶液代替氯化钙溶液作沉淀剂，在其他操作正确的情况下，测得样品中的碳酸钠质量分数将比实际偏高（填“偏高”、“偏低”或“不变”）．
方案三：纯碱样品$\stackrel{硫酸}{→}$测定生成二氧化碳的质量
（6）本实验采用图3装置，C中盛放的物质是浓硫酸．
（7）反应前后都要通人N₂，反应后通入N₂的目的是将B、C装置中的CO₂全部驱入D装置的碱石灰中，减小实验误差．

Answer 1

分析 方案一：该方案原理为在加热的条件下Na₂CO₃能够稳定存在，而NaHCO₃较易发生如下的分解反应2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，从而根据残留的固体的量推算出样品中碳酸钠的质量分数，要加热至恒重，以保证NaHCO₃全部分解．
方案二：该方案原理为在样品中加入CaCl₂溶液，其中Na₂CO₃可与CaCl₂发生反应Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl，而NaHCO₃与CaCl₂则不反应，从而根据产生的沉淀量，得出纯碱的质量分数；
方案关键是测定CaCO₃沉淀的质量，自然要保证沉淀完全，要正确过滤好；
（3）沉淀会附着氯化钠、氯化钙等，需要洗涤除去；
（4）根据碳酸钙计算碳酸钠质量，再根据质量分数定义计算碳酸钠质量分数．
（5）在一定量样品中加入足量Ca（OH）₂溶液，此时分别发生如下反应Na₂CO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+2NaOH，
NaHCO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O，均产生CaCO₃沉淀，根据样品的总量和生成CaCO₃沉淀的量，就可得出纯碱的质量分数；
方案三：该方案原理为一定量混合样品与足量的稀硫酸分别发生如下反应Na₂CO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+CO₂↑+H₂O，
2 NaHCO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+2CO₂↑+2H₂O↑，根据所产生的CO₂的质量，可以分别求得样品中Na₂CO₃和NaHCO₃的质量从而得出纯碱的质量分数．该方案关键是要获得产生的CO₂的质量，在实验前要检查装置的气密性，要将装置中的CO₂全部被碱石灰所吸收，要称量碱石灰在吸收CO₂前后的质量；
（6）C装置干燥二氧化碳；
（7）实验前容器内含有空气，空气中含有二氧化碳，会影响生成的二氧化碳的量，反应后装置中容器内含有二氧化碳，不能被C中碱石灰完全吸收，导致测定结果有较大误差．

解答 解：（1）样品中的碳酸氢钠受热分解生成碳酸钠、水、二氧化碳，化学方程式是2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，
故答案为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
（2）加热到固体为恒重时，说明碳酸氢钠分解完全，所以重复“加热一冷却一称量”操作多次的目的是：确保碳酸氢钠完全分解，减少测定误差，
故答案为：确保碳酸氢钠完全分解，减少测定误差；
（3）氯化钙与碳酸钠反应生成碳酸钙沉淀，利用碳酸钙的质量测定碳酸钠的质量分数，所以将碳酸钙沉淀过滤后的操作为洗涤沉淀，再干燥、称量，
故答案为：洗涤；
（4）沉淀经干燥后称量为m₂g，说明碳酸钙的物质的量是$\frac{{m}_{2}}{100}$mol，则碳酸钠的质量是$\frac{{m}_{2}}{100}$mol×106g/mol=$\frac{53{m}_{2}}{50}$g，所以碳酸钠的质量分数是：$\frac{\frac{53{m}_{2}}{50}g}{{m}_{1}g}$=$\frac{53{m}_{2}}{50{m}_{1}}$，
故答案为：$\frac{53{m}_{2}}{50{m}_{1}}$；
（5）若用氢氧化钙代替氯化钙，则氢氧化钙会与碳酸氢钠反应生成碳酸钙沉淀，则沉淀的质量增加，所以碳酸钠的质量偏大，结果偏高，
故答案为：偏高；
（6）方案三是利用与足量的酸反应生成二氧化碳气体的质量计算碳酸钠的质量分数，则C装置内的液体起干燥作用，所以C中液体为浓硫酸，
故答案为：浓硫酸；
（7）反应前通入氮气是排除装置内的二氧化碳、水蒸气，反应后通入氮气的目的是将装置内的二氧化碳尽可能驱入装置D中，减小实验误差，
故答案为：将B、C装置中的CO₂全部驱入D装置的碱石灰中，减小实验误差．

点评 本题以“实验探究工业纯碱中碳酸钠的质量分数”为载体，考查学生对于实验原理与装置理解评价、实验基本操作、化学计算等，难度中等，题目涉及到的小苏打和纯碱的化学知识是多方面的，构成了一道多角度的探究题．