碳酸与氢氧化钙溶液反应的实验探究

王浩

摘要：为了验证碳酸与碱发生中和反应时，反应会分步进行，传统的实验方法无法直观地解释碳酸与碱的分步反应原理，利用pH传感器测定碳酸溶液与饱和澄清石灰水反应后溶液pH值的变化，可以将抽象的碳酸与碱的分步反应过程直观地呈现出来。

关键词：碳酸;中和反应;二元弱酸

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0095-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.027

一、问题的提出

为了探究碳酸与碱的分步反应过程，我设计了以下实验：

【实验1】将足量的二氧化碳通人到蒸馏水中先制得饱和的碳酸溶液，首先将新制的碳酸溶液逐滴滴加到饱和的澄清石灰水溶液中。

【现象】溶液立刻出现白色沉淀。

【实验2】将饱和的澄清石灰水逐滴滴加到新制的碳酸溶液中。

【现象】溶液无明显现象。

为什么相同的药品由于药品滴加顺序不同而出现不同的实验现象呢？由此引发对此实验进行进一步探究。

二、不同实验现象理论分析

对于以上两个使用相同的药品由于药品滴加顺序不同而出现的不同实验现象，其主要原因就是碳酸（H2CO3）是一种二元弱酸，酸性极低，在碳酸溶液中存在着氢离子的两步电离n.。

①H2CO3=H++HCO3

②HCO3=H++CO2-

当碳酸（H2CO3）和碱溶液发生中和反应时，碳酸会分步电离出氢离子参与反应[2]。

对于【实验1】，由于碳酸是逐滴滴加到澄清石灰水中，碳酸的量很少，而溶液中存在着大量的氢氧根离子，碳酸便很快发生了两步电离，产生碳酸根离子，碳酸根离子很快和钙离子结合，于是便立刻出现了白色沉淀。

对于【实验2】，由于是澄清石灰水逐滴滴加到碳酸中，石灰水的量很少，中和氢氧根离子所需要的氢离子量极少，碳酸便发生了一步电离，生成碳酸氢根离子，产物是碳酸氢钙[3]，碳酸氢钙可溶于水，因此溶液无明显现象。

三、碳酸与氢氧化钙溶液反应优化实验探究

传统的实验方法无法直观地解释碳酸与碱的分步反应原理，以上分析只是从理论上进行了分析，为了验证以上理论分析的科学性，将抽象的理论更直观的呈现出来，我又接着设计了以下对比实验。

【实验3】将饱和的氢氧化钙溶液逐滴滴加到稀盐酸（强酸）溶液中，边滴加边用pH传感器测得溶液pH值变化图像（图1）。

【实验4】将饱和的氢氧化钙溶液逐滴滴加到新制的碳酸（二元弱酸）溶液中.边滴加边用pH传感器测得溶液pH值变化图像（图2）。

通过对比发现，图l是一条常规的平滑曲线，而图2曲线却出现一个明显拐点。其主要原因是：

在AB段当极少量氢氧化钙与碳酸反应，碳酸发生一步电离，只生成可溶性的碳酸氢钙，反应无现象。

在BC段氢氧化钙与新生成的碳酸氢钙继续反应生成碳酸钙，溶液出现浑浊。反应到C点结束。分步反应方程式如下：

AB段反方程式：Ca（OH）2+2H2CO3=Ca（HCO3）2+2H2O

BC段反应方程式：Ca（HCO3）2+ Ca（OH）2=2CaCO3 ↓ +2H2O

四、实验结论

碳酸（H2CO3）是一种二元弱酸，当与碱发生中和反应时，氢离子会分步电离，反应会分步进行。

五、实验反思

澄清石灰水与碳酸的反应是酸与碱的中和反应，但是这个中和反应却和普通的中和反应有极大的不同，因为碳酸是二元弱酸，所以碳酸和澄清石灰水发生反应的时候会分步进行。普通的实验方法无法直观地解释碳酸的分步反应原理，当引用pH传感器进行实验后便可以从图像上清晰地看出碳酸的分步反应过程。

化学学科素养中宏观辨识与微观探析是化学学科最基础的素养。pH数字传感器的引入，成了学生认识宏观物质与微观化学的纽带，让学生对化学反应有了一个动态的本质认识，提升了学生宏观与微观的化学学科素养。这个改进实验所获取的直观结论是传统实验所无法完成的，实验方式的创新是本实验的亮点。

参考文献

[1]张道化，张晴，吴福瞿.二元弱酸及類二元弱酸水溶液中氢离子浓度的计算[J].安庆师范学院学报（自然科学版），1982（1）：87-92

[2]倪永年，直线法测定二元弱酸的稳定常数[J]离子选择电极通讯，1984（3）：81-83

[3]王兴艳，程厚能，孙成斌，周骏宏.溶液中碳酸氢钙含量的测定方法研究[J].山东化工，2015（12）：59-61