二氧化碳制備中對(duì)鹽酸揮發(fā)性的監(jiān)測(cè)

盛儉發(fā) 徐泓 鄭軍

摘要： 利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將大理石與不同濃度鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體分別通入蒸餾水和飽和石灰水中。氣體通入蒸餾水中，揮發(fā)出來的氯化氫在蒸餾水中的濃度通過氯離子傳感器檢測(cè)；氣體通入飽和石灰水中，通過氯離子與pH傳感器檢測(cè)其氯離子濃度和pH變化；待氯離子濃度值基本保持不變時(shí)，再滴入幾滴濃硝酸。計(jì)算機(jī)曲線表征表明，生成的碳酸鈣對(duì)揮發(fā)出來的氯化氫溶解在溶液中的氯離子有吸附作用。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)； 二氧化碳制備； 鹽酸揮發(fā)性監(jiān)測(cè)； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2018）8006603 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

以“培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)”為標(biāo)志的課程改革強(qiáng)調(diào)通過課程學(xué)習(xí)形成學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格。在人教版九年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)第六單元“碳和碳的氧化物”，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)2“二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制取與性質(zhì)”中提到稀鹽酸（1∶2）。本文對(duì)于不同濃度鹽酸揮發(fā)性的程度問題，以及產(chǎn)生的氣體通入飽和石灰水中生成的碳酸鈣對(duì)氯離子的影響提出實(shí)驗(yàn)探究，從而對(duì)化學(xué)反應(yīng)中微觀粒子的變化有更深入的認(rèn)識(shí)；運(yùn)用氯離子和pH傳感器檢測(cè)，圖像直觀、生動(dòng)，解決了實(shí)驗(yàn)中關(guān)于不同濃度鹽酸揮發(fā)性大小及生成的碳酸鈣對(duì)氯離子產(chǎn)生怎樣影響的問題。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器： 計(jì)算機(jī)、Vernier Lab Quest 2數(shù)據(jù)采集器、氯離子傳感器、pH傳感器、250mL燒杯、具支錐形瓶、分液漏斗、鐵架臺(tái)等

藥品： 大理石、濃鹽酸、蒸餾水、飽和石灰水、濃硝酸

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

室內(nèi)溫度19℃，相對(duì)濕度92%，氣壓101.3kPa。濃鹽酸中HCl含量為36%～38%，因?yàn)樵陂_瓶配制過程中有揮發(fā)，按照37%計(jì)算，濃鹽酸物質(zhì)的量濃度約為12molL，按照此濃度配制稀鹽酸。教材中稀鹽酸按照1∶2配制，物質(zhì)的量濃度大約是4molL，再配制各種不同濃度鹽酸進(jìn)行揮發(fā)性比較研究。

（1） 氯離子傳感器檢測(cè)不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)產(chǎn)生氣體通入蒸餾水中氯離子濃度的變化[1]。

將氯離子傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連；用氯離子傳感器探頭一開始浸沒于75mL蒸餾水中，用logger Pro軟件采集數(shù)據(jù)，通過軟件分析并以時(shí)間（t）為橫軸、氯離子濃度為縱軸作圖，在大理石和鹽酸還沒反應(yīng)時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，隨后打開分液漏斗活塞，讓不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體通入蒸餾水中，觀察圖像的變化。

（2） 氯離子傳感器、pH傳感器檢測(cè)不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)產(chǎn)生氣體通入飽和石灰水時(shí)氯離子濃度和pH的變化。

將氯離子傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連；用氯離子傳感器探頭、pH傳感器探頭一開始浸沒于75mL飽和石灰水中，用logger Pro軟件采集數(shù)據(jù)，通過軟件分析并以時(shí)間（t）為橫軸、氯離子和pH為縱軸作圖，在大理石和鹽酸還沒反應(yīng)時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，隨后打開分液漏斗活塞，讓不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體通入飽和石灰水中，觀察圖像的變化。

（3） 同實(shí)驗(yàn)步驟（2），利用8molL鹽酸制取二氧化碳，產(chǎn)生的氣體通入飽和石灰水中，當(dāng)氯離子濃度不再變化時(shí)，加入幾滴濃硝酸，直到難溶物完全溶解，觀察圖像的變化。

3 結(jié)果與討論

（1） 氯離子傳感器檢測(cè)不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入蒸餾水時(shí)氯離子濃度的變化（見圖2）。

以時(shí)間為橫軸，氯離子濃度為縱軸；分析數(shù)據(jù)得出，在通入氣體大約600秒時(shí)，蒸餾水吸收氯離子濃度的數(shù)據(jù)及曲線見表1、圖3。

從圖2、圖3及表1可知，實(shí)驗(yàn)室二氧化碳制備過程中4molL、 6molL、 8molL鹽酸的揮發(fā)性很小，蒸餾水中氯離子濃度分別是1.1mg/L、 1.4mg/L、 3.7mg/L，幾乎可以忽略；9molL鹽酸有一定的揮發(fā)性，氯離子濃度為19.0mg/L；鹽酸濃度為10molL、 12molL時(shí)揮發(fā)性較大，氯離子濃度分別為59.8mg/L、 209.2mg/L，不能忽略。因此在實(shí)驗(yàn)室制備二氧化碳時(shí)，一般用濃度低于等于8molL鹽酸，教材選用4molL鹽酸時(shí)保證了反應(yīng)速率適中和鹽酸揮發(fā)性較小的特點(diǎn)。

（2） 氯離子傳感器、pH傳感器檢測(cè)不同濃度鹽酸與大理石反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入飽和石灰水時(shí)氯離子濃度和pH變化。

由圖4可知，以時(shí)間為橫軸，氯離子濃度、pH為縱軸，所列的各種濃度的鹽酸剛開始反應(yīng)時(shí)，氯離子濃度都升高，但反應(yīng)至pH下降的拐點(diǎn)時(shí)，氯離子濃度都下降；對(duì)于4molL、 6molL、 8molL鹽酸隨后反應(yīng)的氯離子濃度基本保持不變，而對(duì)于10molL、 12molL鹽酸來說隨后反應(yīng)的氯離子濃度升高。

分析數(shù)據(jù)得出，對(duì)于4molL、 6molL、 8molL鹽酸，開始由于鹽酸有一定的揮發(fā)性，氯離子濃度升高，隨后被生成的碳酸鈣吸附，氯離子濃度反而降低，但鹽酸揮發(fā)性畢竟很小，隨后繼續(xù)生成的碳酸鈣基本能把揮發(fā)出來的氯離子吸附，所以氯離子濃度基本保持不變。

對(duì)于10molL、 12molL鹽酸來說，為什么不像4molL、 6molL、 8molL鹽酸那樣后來氯離子濃度基本保持不變，而是進(jìn)一步升高呢？因?yàn)榇藭r(shí)的鹽酸揮發(fā)性較大，生成的碳酸鈣與揮發(fā)出來的氯化氫發(fā)生了反應(yīng)，碳酸鈣溶解，氯離子被釋放，所以氯離子濃度進(jìn)一步升高。然而不管是哪種濃度的鹽酸，對(duì)最終的pH影響都不是很大。為說明氯離子被生成的碳酸鈣吸附，用實(shí)驗(yàn)（3）即可驗(yàn)證。

（3）同實(shí)驗(yàn)步驟（2），利用8molL鹽酸制備二氧化碳，產(chǎn)生的氣體通入飽和石灰水中，當(dāng)氯離子濃度不再變化時(shí)，滴入幾滴濃硝酸，直到難溶物完全消失，觀察圖像的變化（見圖5）。

由圖5可知，利用8mol/L鹽酸與大理石制備的氣體通入到飽和石灰水中，當(dāng)氯離子濃度穩(wěn)定在21.2mg/L時(shí)，滴入幾滴濃硝酸，硝酸和碳酸鈣反應(yīng)，碳酸鈣溶解；最后氯離子濃度穩(wěn)定在58.7mg/L，大于21.2mg/L。說明被碳酸鈣吸附的氯離子釋放出來了，即驗(yàn)證了生成的碳酸鈣對(duì)氯離子有吸附作用。

4 結(jié)語

鹽酸濃度低于8mol/L時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難檢測(cè)到其揮發(fā)性程度問題，通過氯離子濃度及pH傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“實(shí)時(shí)監(jiān)控”全過程，將不同濃度鹽酸的揮發(fā)性直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)出碳酸鈣對(duì)氯離子的吸附作用是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法完成和感知到的，讓學(xué)生對(duì)微觀粒子作用有了更深入的認(rèn)識(shí)，有利于對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)四重表征中的微觀表征和曲線表征更是有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]，其在課堂上的運(yùn)用是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬善恒，夏建華，姚如富.運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究氯水中化學(xué)平衡的存在[J].化學(xué)教學(xué)， 2017，（7）： 71～73.

[2]王云生.探索課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（9）： 3～6.

[3]高妙添.基于“四重表征”與“手持技術(shù)”教學(xué)模式的實(shí)踐研究[J].化學(xué)教育， 2013，（6）： 38～41.