Question

13．某校化学研究性学习小组利用下面所提供的仪器装置和药品制取NaHCO₃溶液，设计如下实验．实验室提供的药品、仪器装置如下：
药品：①2% NaOH溶液  ②稀HCl  ③稀H₂SO₄  ④饱和KHCO₃溶液  ⑤浓H₂SO₄  ⑥CaCO₃固体  ⑦K₂CO₃粉末
仪器装置（如图所示）：

请根据题目要求完成下列问题：
（1）请按下表要求，填写选择的装置和药品．

分项 内容	CO2发生装置（随开随用，随关随停）（X）	除杂洗气装置（Y）	制备产品装置（Z）
选择的装置（填序号）			c
选择的药品（填序号）			①

（2）如何检验所选择的CO₂发生装置（X）的气密性，请写出主要操作过程：方案1：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果干燥管内外液面有一定高度差，说明装置的气密性良好 方案2：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果用手捂住干燥管，管口处出现少量气泡，松手后，干燥管下端管口处出现一段水柱，说明装置的气密性良好．
（3）将装置按X、Y、Z顺序连接并检查气密性后，当加入药品实验时，X装置中发生化学反应的离子方程式为CaCO₃+2H⁺═Ca²⁺+CO₂↑+H₂O，Y装置中除去的杂质为HCl．
（4）常温下，向Z装置的NaOH溶液中通入过量CO₂气体，其目的是使溶液中的NaOH完全转化为NaHCO₃．
（5）若要保证Z装置中不析出晶体（不考虑过饱和溶液问题），NaOH溶液最大浓度不能超过4.37%（质量分数）．
附：有关物质在常温（25℃）时的溶解度

化学式	Na2CO3	NaHCO3	NaOH	NaCl	Na2SO4
溶解度（g/100g H2O）	21.3	9.60	107	35.8	19.4

Answer 1

分析 制取NaHCO₃溶液，要达到实验目的，应该先用能随开随用、随关随停的类启普发生器原理的装置f制取CO₂气体，然后再通过盛有饱和KHCO₃溶液的b装置以除去CO₂中混有的HCl（原理是：KHCO₃+HCl═KCl+CO₂↑+H₂O），最后再将足量的CO₂通入稀NaOH溶液中即可（原理是：CO₂+NaOH═NaHCO₃）．
（1）实验室常用石灰石和稀盐酸反应制取二氧化碳，该反应属于“固液不加热型”，用能随开随用、随关随停的类启普发生器原理的装置为f，通过盛有饱和KHCO₃溶液的b装置以除去CO₂中混有的HCl，将足量的CO₂通入稀NaOH溶液中制得碳酸氢钠；
（2）装置气密性检验的原理是：通过气体发生器与附设的液体构成封闭体系，依据改变体系内压强时产生的现象（如气泡的生成、水柱的形成、液面的升降等）来判断装置气密性的好坏；
（3）碳酸钙和盐酸反应生成氯化钙、水、二氧化碳，氯化氢易挥发，Y装置中除去的杂质为氯化氢；
（4）少量二氧化碳和氢氧化钠反应生成碳酸钠和水，过量二氧化碳和氢氧化钠反应生成碳酸氢钠；
（5）根据在常温（25℃）时的碳酸氢钠的溶解度表结合反应CO₂+NaOH═NaHCO₃计算NaOH的质量，然后求解．

解答 解：（1）装置f在制取气体时打开开关，由于装置内外压强相等，液体药品会从下端的管进入装置内，与装置内固体接触，反应开始，当关闭开关后，由于产生的气体不能排出，试管内气体压强越来越大，把液体从下端的管口压出，是液体与固体分离，反应停止，所以可以做到随开随用随关随停，所以用装置f制取CO₂气体，然后再通过盛有饱和KHCO₃溶液的b装置以除去CO₂中混有的HCl（原理是：KHCO₃+HCl═KCl+CO₂↑+H₂O），最后再将足量的CO₂通入稀NaOH溶液中即可（原理是：CO₂+NaOH═NaHCO₃），
故答案为：

分项 内容	CO2发生装置（随开随用，随关随停）（X）	除杂洗气装置（Y）	制备产品装置（Z）
选择的装置（填序号）	f	b	c
选择的药品（填序号）	②⑥	④	①

；
（2）检验装置f的气密性，方案1：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果干燥管内外液面有一定高度差，说明装置的气密性良好  方案2：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果用手捂住干燥管，管口处出现少量气泡，松手后，干燥管下端管口处出现一段水柱，说明装置的气密性良好，
故答案为：方案1：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果干燥管内外液面有一定高度差，说明装置的气密性良好 方案2：塞紧单孔塞，关闭活塞，在烧杯中加入一定量水使干燥管下端管口浸没在水中，如果用手捂住干燥管，管口处出现少量气泡，松手后，干燥管下端管口处出现一段水柱，说明装置的气密性良好；
（3）碳酸钙和盐酸反应生成氯化钙、水、二氧化碳，所以装置f中发生化学反应的离子方程式为：CaCO₃+2H⁺═Ca²⁺+CO₂↑+H₂O，氯化氢易挥发，Y装置中除去的杂质为氯化氢，
故答案为：CaCO₃+2H⁺═Ca²⁺+CO₂↑+H₂O；HCl；
（4）少量二氧化碳和氢氧化钠反应：CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O，过量二氧化碳和氢氧化钠反应CO₂+NaOH═NaHCO₃，常温下，向Z装置的NaOH溶液中通入过量CO₂气体，其目的是使溶液中的NaOH完全转化为NaHCO₃，
故答案为：使溶液中的NaOH完全转化为NaHCO₃；
（5）假设NaHCO₃的饱和溶液中含100 g水，则由提供数据可知，此时溶液中NaHCO₃的质量为9.60 g，据反应CO₂+NaOH═NaHCO₃可求得NaOH的质量为：$\frac{40×9.60g}{84}$=4.57 g，所以，NaOH溶液最大浓度w（NaOH）=$\frac{4.57g}{100g+457g}$×100%=4.37%，
故答案为：4.37．

点评 本题以制取NaHCO₃溶液为载体考查性质实验方案设计，明确实验原理是解本题关键，侧重考查学生实验操作、分析能力，知道各个装置目的、作用、发生的反应及实验现象，注意化学用语的正确运用，题目难度中等．