Question

10．某校化學小組對熱水壺底部水垢的主要成分進行了如下探究，請完成以下活動并回答相關問題．
【查閱資料】天然水中含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等離子，在加熱條件下，這些離子趨于生成溶解度更小的物質--水垢（主要成分為碳酸鹽和堿）．有關物質的溶解性見下表：
部分鈣、鎂化合物溶解性表（20℃）

	OH-	CO32-	HCO3-
Ca2+	微溶	不溶	可溶
Mg2+	不溶	微溶	可溶

【提出猜想】水垢的主要成分中一定含有
CaCO₃和Mg（OH）₂，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃（填化學式）．
【設計方案】
實驗1：確定水垢中是否含Ca（OH）₂和CaCO₃

實驗步驟	實驗現象	結論
在少量研碎的水垢中，加入適量的蒸餾水充分攪拌，過濾，在濾液里加入Na2CO3溶液．	沒有白色沉淀產生	沒有氫氧化鈣

實驗2：確定水垢中是否含MgCO₃
利用下列實驗裝置，完成實驗2探究．其主要實驗步驟如下：

稱量D、E裝置總質量為200.0g，按上圖組裝后，將2.5g水垢試樣放入錐形瓶中，加入足量稀鹽酸溶液，待錐形瓶中不再產生氣泡時，打開止水夾K，從導管a處緩緩鼓入空氣，一段時間后稱量裝置D、E的總質量為201.25g（堿石灰主要成分為CaO和NaOH，不考慮裝置內空氣對實驗的影響）．
【實驗討論】
（1）加入樣品前還應檢查裝置的氣密性，裝置B中盛放稀鹽酸的儀器名稱為分液漏斗，裝置C的作用是除去二氧化碳中含有的水蒸氣，反應結束后打開止水夾K，緩緩鼓入空氣的目的是將殘留在裝置中的二氧化碳全部排入D、E裝置中充分吸收，裝置A的作用是吸收空氣中的二氧化碳．A、B裝置之間不要設置干燥裝置（填“要”、“不要”），其理由是C裝置可以除去二氧化碳的水蒸氣．
（2）裝置B中生成氣體的化學反應方程式為CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑（只要求寫一種）
裝置D中的化學反應方程式為CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O．
（3）裝置B中生成CO₂的質量為4.4 g．通過計算說明水垢中A含MgCO₃（填字母）．
A．一定        B．一定不       C．可能          D．無法確定
計算過程（已知CaCO₃相對分子質量為100、MgCO₃相對分子質量為84）：
實驗3：確定水垢中是否含有Mg（OH）₂
另取質量為2.50g水垢，加3.65%稀鹽酸與之反應，測得消耗稀鹽酸w g．結合以上實驗，判斷當w的值滿足w＞56.8 條件時，水垢中一定含有Mg（OH）₂（請通過計算說明）．

Answer 1

分析 【提出猜想】首先運用題中溶解性表分析得出提出猜想中的兩個空；
【設計方案】實驗1：根據氫氧化鈣溶液能和碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀進行解答；
【實驗討論】要測定二氧化碳的質量，必須保證裝置氣密性良好；可以根據反應前后裝置D、E的質量差確定生成的二氧化碳的質量，進而確定水垢中是否含有碳酸鎂，計算出所用的鹽酸的質量分數，從而計算求出是否含有氫氧化鎂；
實驗3：根據裝置D的增重判斷生成的二氧化碳的質量為1.25g；
設水垢均為2.50g碳酸鈣，根據方程式計算可生成的二氧化碳1.1g，所以含碳酸鎂；
根據碳酸鈣、碳酸鎂、氫氧化鎂與鹽酸反應的方程式，分別計算它們2.50g消耗鹽酸的質量，其中氫氧化鎂消耗最多，其次為碳酸鎂，假設2.50g全為碳酸鎂，消耗鹽酸56.8g，w＞56.8g時，定有氫氧化鎂．

解答 解：【提出猜想】由題中溶解性表知碳酸鈣和氫氧化鎂不溶于水，其余的氫氧化鈣、碳酸鎂微溶，碳酸氫鈣和碳酸氫鎂都溶于水，故水垢的主要成分中一定含有：CaCO₃、Mg（OH）₂故填：CaCO₃；Mg（OH）₂；
【設計方案】
實驗1：氫氧化鈣溶液能和碳酸鈉反應生成碳酸鈣沉淀，所以

實驗步驟	實驗現象	結論
在少量研碎的水垢中，加入適量的蒸餾水充分攪拌，過濾，在濾液里加入Na2CO3溶液．	沒有白色沉淀產生	沒有氫氧化鈣

故填：沒有氫氧化鈣；
【實驗討論】：（1）因為實驗需要測定生成的二氧化碳的質量，需要保證裝置不漏氣，所以需要檢查裝置的氣密性；裝置B中盛放稀鹽酸的儀器名稱為分液漏斗；濃硫酸具有吸水性，所以裝置C的作用是除去二氧化碳中含有的水蒸氣；反應結束后打開止水夾K，緩緩鼓入空氣是為了將裝置中的二氧化碳全部吸收；裝置A的作用是吸收空氣中的二氧化碳．A、B裝置之間不要設置干燥裝置，其理由是C裝置可以除去二氧化碳的水蒸氣；
故填：檢查裝置的氣密性；分液漏斗；除去二氧化碳中含有的水蒸氣；將殘留在裝置中的二氧化碳全部排入D、E裝置中充分吸收；吸收空氣中的二氧化碳；
C裝置可以除去二氧化碳的水蒸氣；
（2）裝置B中是碳酸鈣能與鹽酸反應生成氯化鈣、水和二氧化碳，而D中是二氧化碳和氫氧化鈉溶液反應生成碳酸鈉和水；故填：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑；CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O；
（3）反應前后D、E裝置的質量差為：201.25g-200g=1.25g，設生成1.25g二氧化碳需要碳酸鈣的質量為x
CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑
100                                    44
x                                        1.25g
$\frac{100}{x}=\frac{44}{1.25g}$
解得x=2.84g，而水垢的質量為2.5g，故一定含有能生成二氧化碳的碳酸鎂存在；故填：4.4；A；
實驗3：由實驗2可知：2.5g水垢與鹽酸反應生成1.25g二氧化碳；據碳酸鈣、碳酸鎂與鹽酸反應方程式可知生成1.25g二氧化碳恰好需要3.65%的稀鹽酸的質量；
設需要稀鹽酸的質量是x，由CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，MgCO₃+2HCl=MgCl₂+H₂O+CO₂↑可知：
2HCl～CO₂
73       44
3.65%×x 1.25g
$\frac{73}{3.65%×x}=\frac{44}{1.25g}$
x=56.8g
由CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，MgCO₃+2HCl=MgCl₂+H₂O+CO₂↑，Mg（OH）₂+2HCl=MgCl₂+2H₂O可知：
CaCO₃～2HCl～MgCO₃～Mg（OH）₂；
100     73   84     58
可知：等質量的碳酸鎂、碳酸鈣、氫氧化鎂，氫氧化鎂消耗鹽酸質量最多，所以當實際消耗鹽酸質量大于56.8時，水垢中一定含有氫氧化鎂．故填：w＞56.8．

點評 即考查了實驗也考查了根據化學方程式的計算，培養了學生實驗分析能力和根據化學方程式計算能力及運用極值法解題的思想．本題考查了常見物質成分的推斷，完成此題，可以依據物質的性質結合題干提供的信息進行．