澄清石灰水与二氧化碳的作用机理和实验探究

澄清石灰水与二氧化碳的作用机理和实验探究吴文中

摘要：通过深度解读Co₂-H₂o-CaCo₃体系可能存在的多重平衡，建立研究Ca（HCo₃）₂溶解度模型并计算Caco₃在不同co₂分压下的溶解量。分析有关数据认为，澄清石灰水变浑浊后之所以能变清的机理是在Co₂作用下，CaCo₃的沉淀一溶解平衡向溶解方向移动的结果。建议将饱和澄清石灰水稀释l倍左右后再通入足量的CO₂最终能使浑浊变澄清。

关键词：澄清石灰水；二氧化碳；作用机理；实验探究

文章编号：1005-6629（2017）8-0050-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

“澄清石灰水中通人CO₂气体”的实验“古老而经典”，因不同实验者可能观察到不同的现象而引发中学教师的广泛讨论，其中一种观点认为：澄清石灰水中通入过量的CO₂，澄清石灰水一定会出现先变浑浊再变清的现象；另一种观点认为：澄清石灰水中通入过量的Co₂，能看到变浑，但无法彻底变清。

前一种观点的理由是Ca（HCo₃）₂溶解度比CaCO₃溶解度大得多[依据文献2o℃时Ca（HCo₃）₂的溶解度是l6.60g/lOOgH₂o]，因此，最终澄清石灰水能变澄清；另一种观点认为：澄清石灰水先变浑浊再变澄清，可能是实验者未除去用盐酸制备Co₂时混有的HCl气体，而不是因为CaCO₃与CO₂、H₂o反应的结果，因为Ca（HCo₃）₂溶解度与CaCO₃溶解度无显著差异。

需要说明的是，CO₂，气体中可能存在HC1等酸性气体的问题对实验的影响，完全可以通过把混合气体通入饱和NaHCO₃溶液的方法消除，该问题不在本文讨论范围之内。

该实验的现象到底怎样？实验如下：把除去HC1气体的CO₂持续不断通入饱和的澄清石灰水中，澄清石灰水变浑浊，但30min后浊液仍不变清

但为什么又有那么多教师坚定地说：在澄清石灰水中通入除去HC1的CO₂时，最终所得溶液是澄清的，孰对孰错？先从Co₂-H₂o-CaCo₂体系中可能存在的各种平衡谈起。在溶液中，由于CaCO₃溶解度为0.00015mol·L^-1，实际CaCO₃沉淀量无法达到O.Olmol），当沉淀消失完全变澄清时，却共需n（Co₃）=0.053mol（见前文），这一数值与实验现象吻合（澄清石灰水中通入CO₂，溶液浑浊程度能很快达到最大，但要使浑浊消失却需要较长时间通人Co₂）。因此，练习1中的C选项的图像为等腰三角形是不恰当的，若使用图4示意图来描述更为恰当，该图像很好地反映了本文所阐述的“澄清石灰水与二氧化碳的作用机理”。

3结语

学者钟汝永在“澄清石灰水中通人过量二氧化碳未必能变清”一文中，采用稀H₂So₄与晶体Na₂CO₃反应制取CO₂，向新制饱和石灰水中通人CO₂，溶液很快变浑浊，持续通人CO₂，浑浊程度降低，但通Co₂气体30min后，溶液仍然不能完全变清，于是认为通人过量CO₂，后能完全变清的条件如下：当c（Ca²⁺）<8.74xl0^-3mol·L^-1或pH<12.24。这一结论与本文理论计算基本吻合，即在澄清石灰水浓度小于0.01mol·L^-1时『注：0.01mol·L^-1的Ca（OH）₂溶液的pH约为12.3]，发现澄清石灰水能先变浑浊再变澄清，实验与理论存在微小差异可能是在真实实验环境中，Co₂分压可能无法达到1.01×l0⁵Pa所致。

有关澄清石灰水通入CO₂的实验中，使用的澄清石灰水可能有两种情况，一种是新制的饱和澄清石灰水，一种是饱和澄清石灰水已被稀释或久置，其Ca（OH）₂浓度已然减小，对于使用新制的饱和澄清石灰水的实验，浓度较大，实验过程中往往难以变清，而低浓度的Ca（OH）₂溶液中通入Co₂，则能在实验过程中看到先变浑浊后变澄清的现象。因此，把饱和澄清石灰水稀释一倍左右后再通人過量的CO₂是该实验的最佳选择。endprint