稀硫酸與大理石顆粒反應(yīng)制取CO2的實驗探究

摘 要： 常規(guī)條件下一般不能用硫酸與大理石反應(yīng)制備CO2，采用壓力傳感器探究了多種條件下稀硫酸與大理石的反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)溶液在充分?jǐn)嚢璧臈l件下，適當(dāng)降低硫酸溶液的濃度，是可以用硫酸與大理石反應(yīng)制備CO2的。獲得的優(yōu)化條件是攪拌速度10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量15mL、細顆粒（15粒/克）大理石用量為15g，制備的CO2可成功用于蠟燭熄滅的性質(zhì)實驗。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳制備； 硫酸； 大理石； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）10008205

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)實驗”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》學(xué)習(xí)主題一“科學(xué)探究與化學(xué)實驗”要求必做實驗之一［1］。實驗室制取CO2時，原料一般采用鹽酸和大理石（或石灰石），而不用硫酸和大理石，有學(xué)者還借助于二氧化碳傳感器等數(shù)字化實驗證明了硫酸與大理石反應(yīng)不能制取CO2［2，3］。當(dāng)采用鹽酸與大理石反應(yīng)制取CO2時，由于鹽酸的揮發(fā)性，導(dǎo)致制取的CO2中含有一定量的HCl氣體，會影響后續(xù)CO2的一些性質(zhì)實驗［4］。那么能否通過適當(dāng)改變實驗條件，用稀硫酸與大理石反應(yīng)制取CO2呢？本文通過壓力傳感器探究了多種條件下稀硫酸與大理石的反應(yīng)過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低硫酸濃度并增加溶液容量，采用小顆粒大理石并增加其用量，在溶液充分?jǐn)嚢璧臈l件下是可以用大理石和稀硫酸在實驗室制取CO2的。

2 實驗原理

大理石中的碳酸鈣與硫酸反應(yīng)生成微溶硫酸鈣，通常情況下硫酸鈣會沉積在大理石表面形成一層硫酸鈣膜，阻止硫酸與大理石中的碳酸鈣繼續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致人們認為大理石不能與硫酸反應(yīng)制取二氧化碳。深入思考發(fā)現(xiàn)，只要破壞形成硫酸鈣膜的條件，硫酸與大理石中的碳酸鈣就會繼續(xù)反應(yīng)，就能用大理石與硫酸反應(yīng)制取二氧化碳。根據(jù)沉淀生成原理，SO2-4濃度與Ca2+濃度乘積大于CaSO4的Ksp才能生成CaSO4沉淀，硫酸鈣是微溶性硫酸鹽，其20℃時的溶度積（Ksp）為2.0×10-4［5］，適當(dāng)降低硫酸濃度并增加溶液的用量，使在CO2制取期間難以生成硫酸鈣沉淀，即硫酸鈣膜。為了進一步破壞硫酸鈣膜的形成，大理石與硫酸反應(yīng)過程中需對溶液進行充分?jǐn)嚢?，并采用小顆粒大理石且適當(dāng)增加其用量。

3 實驗裝置

稀硫酸與大理石反應(yīng)制取CO2的實驗探究裝置如圖1所示。開動電磁攪拌器對錐形瓶中的硫酸溶液進行攪拌，減緩硫酸鈣沉積形成膜層，使硫酸與大理石中碳酸鈣持續(xù)反應(yīng)生成CO2；錐形瓶口用帶玻璃導(dǎo)管的橡膠塞塞緊，生成的CO2氣體通過導(dǎo)管被壓力傳感器檢測轉(zhuǎn)換成電信號；數(shù)據(jù)采集器將傳感器轉(zhuǎn)換的電信號放大成數(shù)字信號傳送到計算機存儲，并以圖像形式直觀顯示出來。

4 儀器和藥品試劑

4.1 儀器

威尼爾（Vernier）GPSBTA氣體壓強傳感器、威尼爾（Vernier）LabQuest Mini型數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)采集軟件（Logger Pro 3.14.1）、威尼爾（Vernier）STIR電磁攪拌器、125mL磨口錐形瓶、25mL量筒、250mL燒杯、250mL磨口集氣瓶

4.2 藥品試劑

濃硫酸（分析純）、濃鹽酸（分析純）、純凈水、大理石顆粒（將廢棄的裝修用大理石板粉碎成粗、中、細顆粒，對應(yīng)粒度分別為2粒/克、5粒/克、15粒/克）、小蠟燭

溶液的配制：5.0mol/L HCl溶液儲備液；5.0mol/L H2SO4溶液儲備液；不同濃度的各種溶液可分別用上述儲配液用純凈水稀釋獲得

5 實驗部分

5.1 實驗探究步驟

按圖1所示裝配好實驗探究裝置，實驗操作步驟如下：（1）打開計算機電源，啟動計算機后運行數(shù)據(jù)采集軟件；（2）檢查裝置氣密性，用手緊握錐形瓶，若觀察“數(shù)據(jù)采集軟件”界面顯示的氣體壓強數(shù)字增大、松手后氣體壓強數(shù)字減小表明裝置氣密性良好；（3）按實驗要求設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)及圖像顯示參數(shù)；（4）將一定粒度大小和質(zhì)量的大理石顆粒放入錐形瓶中，并放入一顆電磁攪拌子，打開電磁攪拌器電源開關(guān)，視實驗要求設(shè)置一定的攪拌速度，加入一定體積的硫酸或鹽酸溶液后，立即塞緊橡膠塞并點擊“數(shù)據(jù)采集軟件”界面數(shù)據(jù)“采集”按鈕，采集氣體壓力隨時間的變化數(shù)據(jù)；（5）數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，處理、保存數(shù)據(jù)。

5.2 CO2制備與性質(zhì)實驗

用硫酸和大理石作原料，在最優(yōu)的實驗條件下采用圖2所示的裝置制取CO2，集氣瓶收集滿CO2后用玻璃片蓋住瓶口待用。把兩支短蠟燭按圖3所示固定在燒杯內(nèi)，點燃，拿起上述收集滿CO2的集氣瓶，向燒杯內(nèi)緩慢傾倒CO2，觀察蠟燭1、2燃燒情況。

6 實驗結(jié)果與討論

6.1 硫酸鈣膜形成對酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

硫酸與大理石反應(yīng)生成的碳酸鈣膜會阻止硫酸繼續(xù)與大理石中碳酸鈣反應(yīng)，圖4中曲線4是10mL 0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應(yīng)的壓強時間曲線，可以看出在120秒內(nèi)，壓強幾乎沒有變化，說明確實形成硫酸鈣膜阻止了反應(yīng)的進行，故教材上不選用硫酸與大理石反應(yīng)制取CO2氣體是有道理的；圖4中曲線3是0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應(yīng)120秒后將硫酸溶液倒出，再向錐形瓶中加入10mL 0.5mol/L鹽酸后的壓強時間曲線，可以看出前50秒鹽酸與大理石中碳酸鈣幾乎沒有反應(yīng)，而50秒后壓強逐漸變大，說明硫酸鈣膜逐漸破裂，鹽酸逐漸與裸露的大理石顆粒表面的碳酸鈣反應(yīng)生成CO2氣體；將0.25mol/L H2SO4與5g粗大理石（2粒/克）顆粒反應(yīng)120秒后將硫酸溶液倒出，加適量純凈水震蕩，目的是清洗除去大理石表面的硫酸鈣膜，反復(fù)清洗三次后加入10mL 0.5mol/L鹽酸后反應(yīng)的壓強時間曲線如圖4中曲線2所示，可以看出從一開始鹽酸就能與大理石表面的碳酸鈣反應(yīng)，盡管沒有圖4中曲線1（0.5mol/L鹽酸直接與粗大理石（2粒/克）顆粒反應(yīng)的壓強時間曲線）反應(yīng)劇烈，至少說明當(dāng)H2SO4與5g大理石反應(yīng)過程中振蕩或攪拌溶液能夠減少硫酸鈣膜在大理石表面的覆蓋率，使反應(yīng)能夠持續(xù)進行。

6.2 攪拌速率對硫酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

根據(jù)6.1實驗結(jié)論，有必要考察攪拌速率對H2SO4與大理石反應(yīng)過程的影響。圖5是不同攪拌速率下0.25mol/L硫酸與5g粗大理石顆粒（2粒/克）反應(yīng)的壓強時間曲線。圖中結(jié)果表明不同攪拌速率下在同一反應(yīng)時間內(nèi)錐形瓶內(nèi)隨著攪拌速率加快壓強變大，說明生成CO2的氣體多，也就是說攪拌速率越快，硫酸鈣膜越難以形成，大理石表面裸露的面積越大，有更多的大的碳酸鈣與硫酸反應(yīng)，因此后續(xù)研究采用電磁攪拌器最快的攪拌速率10檔（125r/min）攪拌溶液。

6.3 相同攪拌情況下硫酸濃度對硫酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

硫酸鈣膜的形成與硫酸濃度緊密相關(guān)，也需要考察硫酸濃度對硫酸與大理石反應(yīng)過程的影響。圖6是攪拌速率1250r/min條件下不同濃度硫酸與5g粗大理石顆粒（2粒/克）反應(yīng)的壓強時間曲線，圖中結(jié)果表明相同的攪拌速率下在同一反應(yīng)時間內(nèi)錐形瓶內(nèi)隨著硫酸濃度的減小壓強變大，說明較低的硫酸濃度下不易形成硫酸鈣膜，有利于反應(yīng)的持續(xù)進行，后續(xù)的研究則采用攪拌速率10檔（125r/min）、硫酸濃度為0.1mol/L。

6.4 相同攪拌情況下大理石用量對硫酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

其他條件相同時，大理石用量不同，生成的氣體的量也不同。圖7是在攪拌速率10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量10mL條件下，不同用量的粗大理石顆粒（2粒/克）與0.1mol/L硫酸反應(yīng)的壓強時間曲線。比較圖7中三種不同用量的粗大理石顆粒（2粒/克）的壓強時間曲線，顯示粗大理石顆粒（2粒/克）用量較多時，生成CO2的氣體就越多，因此后續(xù)的研究中大理石用量采用15g。

6.5 相同攪拌情況下大理石粒度不同對硫酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

其他條件相同時，大理石顆粒的粒度不同，產(chǎn)生的氣體量也不同。圖8是在攪拌速率10檔（1250r/min時）條件下15g粒度不同的大理石顆粒與濃度為0.1mol/L用量為10mL硫酸反應(yīng)的壓強時間曲線，結(jié)果顯示其他條件相同情況下，顆粒越小，大理石顆粒總面積越大，會有更多的碳酸鈣參與反應(yīng)，考慮到制備小顆粒大理石的難度，后續(xù)研究采用的大理石粒度為每克大理石15粒為宜。

6.6 相同攪拌情況下硫酸溶液用量對硫酸與大理石反應(yīng)生成CO2的影響

圖1所示的探究裝置中，錐形瓶至壓力傳感器是密封的，生成的CO2氣體愈多，錐形瓶內(nèi)壓強愈大，因此硫酸與大理石反應(yīng)越快，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的CO2氣體也愈多，壓強隨時間增大也越快，所得的硫酸與大理石反應(yīng)的壓強時間曲線越陡峭。觀察前述各種條件下硫酸與大理石反應(yīng)的壓強時間曲線，發(fā)現(xiàn)前期曲線比較陡峭，表明單位時間內(nèi)生成CO2氣體較多，后續(xù)階段曲線變化比較緩慢，說明后期反應(yīng)比較慢，單位時間生成CO2氣體的比較少，主要原因是前述研究僅增加了大理石用量，硫酸用量為10mL沒有改變，導(dǎo)致隨著時間的延長參與反應(yīng)的硫酸量變少了，生成的硫酸鈣量增加了，大理石表面部分被硫酸鈣膜覆XNOGp2Alw4K7EdgvOfjiayceQm5kQ0p1KP/1WvoZXu8=蓋，硫酸與大理石反應(yīng)單位時間內(nèi)生成的CO2氣體變少了，因此應(yīng)該加大硫酸溶液的用量，這樣一是增加可反應(yīng)的硫酸的量，二是溶液體積增大了，溶液中可溶性硫酸鈣量也會增加，降低了大理石表面被硫酸鈣膜覆蓋的面積。由于硫酸溶液體積超過15mL、反應(yīng)時間超過50秒后，錐形瓶內(nèi)壓力過大（壓強大于130kPa，密封錐形瓶的橡膠活塞就崩開了），故只研究硫酸用量為10mL和15mL兩種情況。圖9是在攪拌速率10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L、細顆粒大理石（15粒/克）用量為15g條件下獲得的，實驗結(jié)果表明硫酸用量增加，能保持后續(xù)階段反應(yīng)速度較快的速度進行。

6.7 優(yōu)化條件下硫酸與大理石反應(yīng)制備與CO2性質(zhì)實驗

根據(jù)前述實驗結(jié)果可以確定制備CO2的最優(yōu)條件：攪拌速度10檔（1250r/min）、硫酸濃度0.1mol/L用量20mL、細顆粒大理石（15粒/克）用量為15g，采用圖2、圖3裝置和方法進行實驗，燒杯中的蠟燭1、2依次熄滅。

7 結(jié)語

綜上所述，充分?jǐn)嚢枞芤海〝嚢杷俾?250r/min）、適當(dāng)降低硫酸濃度（0.1mol/L），能夠破壞反應(yīng)體系中硫酸鈣膜的形成條件，使硫酸能與大理石中的碳酸鈣持續(xù)反應(yīng)生成CO2，若再適當(dāng)增加硫酸溶液的用量（20mL），并降低大理石顆粒的大?。６?5粒/克用量15克）就能夠用硫酸和大理石制備CO2用于CO2的性質(zhì)實驗。

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