Question

10．純堿是工業生產和日常生活中的重要物質．某興趣小組為測定某工業純堿（假設僅含碳酸氫鈉雜質）中碳酸鈉的質量分數，設計了下列四種實驗方案進行探究．請填空：

方案一：純堿樣品$\stackrel{加熱}{→}$測定剩余固體質量
（1）分別稱取干燥坩堝和純堿樣品的質量，將純堿樣品放入坩堝中充分加熱．坩堝中發生反應的化學方程式為：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O．
（2）將坩堝置于干燥器中冷卻后稱量．實驗時需要重復“加熱、冷卻、稱量”操作多次，其目的是：加熱至恒重，以保證NaHCO₃全部分解．
方案二：稱取mg樣品配成250mL溶液，從中取25mL溶液先用酚酞作指示劑用0.1mol•L^-1HCl溶液滴定至終點，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₁mL，繼續用甲基橙作指示劑滴定至終點，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₂mL．則該樣品中碳酸鈉的質量分數為：$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%．
方案三：純堿樣品溶液$\stackrel{氯化鈣溶液}{→}$測定沉淀質量
（3）稱取m₁g樣品，置于小燒杯中，加水溶解．向小燒杯中滴加足量氯化鈣溶液．將反應混和物過濾后的下一步操作是：洗滌沉淀，沉淀經干燥后稱量為m₂g．
（4）如果用氫氧化鈣溶液代替氯化鈣溶液作沉淀劑，在其他操作正確的情況下，測得樣品中的碳酸鈉質量分數將比實際不變（填“偏高”、“偏低”或“不變”）．
方案四：純堿樣品$\stackrel{加熱}{→}$測定生成二氧化碳的質量
（5）本實驗采用如下圖裝置，C中盛放的物質是濃硫酸．
（6）反應前后都要通入N₂，反應后通入N₂的目的是排盡裝置內的空氣，將生成的二氧化碳從容器內排出，被D裝置中堿石灰吸收．

Answer 1

分析 方案一：（1）該方案原理為在加熱的條件下Na₂CO₃能夠穩定存在，而NaHCO₃較易發生如下的分解反應2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，從而根據殘留的固體的量推算出樣品中碳酸鈉的質量分數．
（2）該方案根據加熱后殘渣的質量來求解，要加熱至恒重，以保證NaHCO₃全部分解．
方案二：根據實驗原理，用酚酞作指示劑時，發生反應為：Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl，用0.1mol•L^-1 HCl溶液滴定至終點，消耗0.1mol•L^-1 HCl溶液V₁ mL，繼續用甲基橙作指示劑滴定至終點，發生反應：：NaHCO₃+HCl=H₂O+CO₂↑+NaCl，由此分析計算；
方案三：該方案原理為在樣品中加入CaCl₂溶液，其中Na₂CO₃可與CaCl₂發生反應Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl，而NaHCO₃與CaCl₂則不反應．從而根據產生的沉淀量，得出純堿的質量分數，方案關鍵是測定CaCO₃沉淀的質量，自然要保證沉淀完全，要正確過濾好．
（3）沉淀會附著氯化鈉、氯化鈣．
（4）在一定量樣品中加入足量Ca（OH）₂溶液，此時分別發生如下反應Na₂CO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+2NaOH，NaHCO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O，均產生CaCO₃沉淀，根據樣品的總量和生成CaCO₃沉淀的量，就可得出純堿的質量分數．
方案四：該方案原理為一定量混合樣品與足量的稀硫酸分別發生如下反應Na₂CO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+CO₂↑+H₂O，
2 NaHCO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+2CO₂↑+2H₂O↑，根據所產生的CO₂的質量，可以分別求得樣品中Na₂CO₃和NaHCO₃的質量從而得出純堿的質量分數．該方案關鍵是要獲得產生的CO₂的質量，在實驗前要檢查裝置的氣密性，要將裝置中的CO₂全部被堿石灰所吸收，要稱量堿石灰在吸收CO₂前后的質量．
（5）C裝置干燥二氧化碳．
（6）實驗前容器內含有空氣，空氣中含有二氧化碳，會影響生成的二氧化碳的量，反應后裝置中容器內含有二氧化碳，不能被C中堿石灰完全吸收，導致測定結果有較大誤差．

解答 解：方案一：（1）坩堝中發生反應的化學方程式為：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，故答案為：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O；保證NaHCO₃全部分解．
（2）該方案根據加熱后殘渣的質量來求解，要加熱至恒重，以保證NaHCO₃全部分解，故答案為：加熱至恒重，以保證NaHCO₃全部分解；
方案二：根據實驗原理，用酚酞作指示劑時，發生反應為：Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl，用0.1mol•L^-1 HCl溶液滴定至終點，消耗0.1mol•L^-1 HCl溶液V₁ mL，應根據V₁來計算碳酸鈉的質量；繼續用甲基橙作指示劑滴定至終點，發生反應：：NaHCO₃+HCl=H₂O+CO₂↑+NaCl，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₂mL．根據（V₂-V₁）計算NaHCO₃的質量，則Na₂CO₃的質量分數為：$\frac{0.1mol/L×{V}_{1}×106g/mol}{0.1mol/L×{V}_{1}×106g/mol+0.1mol/L×（{V}_{2}-{V}_{1}）×84g/mol}$=$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%，故答案為：$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%；
方案三：
（3）碳酸鈣沉淀會附著氯化鈉、氯化鈣，過濾后需用蒸餾水洗滌沉淀；故答案為：洗滌沉淀；
（4）在一定量樣品中加入足量Ca（OH）₂溶液，此時分別發生如下反應Na₂CO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+2NaOH，
NaHCO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O，均產生CaCO₃沉淀，根據樣品的總量和生成CaCO₃沉淀的量，可以計算碳酸鈉質量，就可得出純堿的質量分數．故用氫氧化鈣溶液代替氯化鈣溶液作沉淀劑，在其他操作正確的情況下，測得樣品中的碳酸鈉質量分數不變；故答案為：不變；
方案四：
（5）C裝置干燥二氧化碳，所以C中盛放的物質是濃硫酸，故答案為：濃硫酸；
（6）該方案關鍵是要獲得產生的CO₂的質量，實驗前容器內含有空氣，空氣中含有二氧化碳，會影響生成的二氧化碳的量，反應后裝置中容器內含有二氧化碳，不能被C中堿石灰完全吸收，導致測定結果有較大誤差，所以反應前后都要通入N₂，反應后通入N₂的目的是：排盡裝置內的空氣，將生成的二氧化碳從容器內排出，被D裝置中堿石灰吸收，
故答案為：排盡裝置內的空氣，將生成的二氧化碳從容器內排出，被D裝置中堿石灰吸收．

點評 以實驗探究“工業純堿（假設僅含碳酸氫鈉雜質）中碳酸鈉的質量分數”為載體，考查學生對于實驗原理與裝置理解評價、實驗基本操作、化學計算等，難度中等，題目涉及到的小蘇打和純堿的化學知識是多方面的，構成了一道多角度的探究題．