Question

16．纯碱是工业生产和日常生活中的重要物质．某兴趣小组为测定某工业纯碱（假设仅含碳酸氢钠杂质）中碳酸钠的质量分数，设计了下列三种实验方案进行探究．请填空：
方案一：纯碱样品$\stackrel{加热}{→}$测定剩余固体质量
（1）分别称取干燥坩埚和纯碱样品的质量，将纯碱样品放入坩埚中充分加热（如右图）．坩埚中发生反应的化学方程式为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O
（2）将坩埚置于干燥器中冷却后称量．实验时需要重复“加热一冷却一称量”操作多次，其目的是加热至恒重，以保证NaHCO₃全部分解．

方案二：纯碱样品溶液$\stackrel{氧化钙溶液}{→}$测定沉淀质量
（3）称取m ₁g样品，置于小烧杯中，加水溶解．向小烧杯中滴加足量氯化钙溶液（如下图），沉淀完全后，讲混和物进行的后续两步操作分别是用蒸馏水洗涤和干燥．
（4）沉淀经干燥后称量为m ₂g，则该样品中碳酸钠的质量分数为$\frac{106{m}_{2}}{{m}_{1}}$%
（5）如果用过量的氢氧化钙溶液代替氯化钙溶液作沉淀剂，在其他操作正确的情况下，测得样品中的碳酸钠质量分数将比实际不变（填“偏高”、“偏低”或“不变”）．所涉及的离子反应方程式为：CO₃^2-+Ca²⁺=CaCO₃↓，HCO₃^-+Ca²⁺+OH^-=CaCO₃↓+H₂O．
方案三：纯碱样品$\stackrel{硫酸}{→}$测定生成CO₂的质量
（6）本实验采用图3装置，实验中进行的第一步操作名称是：检查装置气密性，C中盛放的物质是浓硫酸
（7）反应前后都要通入N₂，反应后通入N₂的目的是排尽装置内的空气，将生成的二氧化碳从容器内排出，被D装置中碱石灰吸收．
（8）要确定纯碱样品的纯度，除了样品的质量外，实验还需要获取的数据是：装置D反应前后质量．

Answer 1

分析 方案一：（1）该方案原理为在加热的条件下Na₂CO₃能够稳定存在，而NaHCO₃较易发生如下的分解反应2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
（2）从而根据残留的固体的量推算出样品中碳酸钠的质量分数．该方案根据加热后残渣的质量来求解，要加热至恒重，以保证NaHCO₃全部分解．
方案二：该方案原理为在样品中加入CaCl₂溶液，其中Na₂CO₃可与CaCl₂发生反应Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl，而NaHCO₃与CaCl₂则不反应．从而根据产生的沉淀量，得出纯碱的质量分数．方案关键是测定CaCO₃沉淀的质量，自然要保证沉淀完全，要正确过滤好．
（3）沉淀会附着氯化钠、氯化钙需要洗涤．
（4）根据碳酸钙计算碳酸钠质量，再根据质量分数定义计算碳酸钠质量分数．
（5）在一定量样品中加入足量Ca（OH）₂溶液，此时分别发生如下反应Na₂CO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+2NaOH，
NaHCO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O，均产生CaCO₃沉淀，根据样品的总量和生成CaCO₃沉淀的量，就可得出纯碱的质量分数．
方案三：该方案原理为一定量混合样品与足量的稀硫酸分别发生如下反应Na₂CO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+CO₂↑+H₂O，
2 NaHCO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+2CO₂↑+2H₂O↑，根据所产生的CO₂的质量，可以分别求得样品中Na₂CO₃和NaHCO₃的质量从而得出纯碱的质量分数．该方案关键是要获得产生的CO₂的质量，在实验前要检查装置的气密性，要将装置中的CO₂全部被碱石灰所吸收，要称量碱石灰在吸收CO₂前后的质量．
（6）本实验采用图3装置，实验中进行的第一步操作名称是检查装置是否漏气，C装置干燥二氧化碳．
（7）实验前容器内含有空气，空气中含有二氧化碳，会影响生成的二氧化碳的量，反应后装置中容器内含有二氧化碳，不能被C中碱石灰完全吸收，导致测定结果有较大误差；
（8）要确定纯碱样品的纯度，除了样品的质量外，还需要测定生成CO₂的质量；

解答 解：方案一：
（1）坩埚中发生反应的化学方程式为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O
故答案为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O；
（2）该方案根据加热后残渣的质量来求解，要加热至恒重，以保证NaHCO₃全部分解．
故答案为：加热至恒重，以保证NaHCO₃全部分解；
方案二：
（3）碳酸钙沉淀会附着氯化钠、氯化钙，过滤后需用蒸馏水洗涤，干燥．
故答案为：用蒸馏水洗涤，干燥；
（4）沉淀经干燥后称量为m₂g，碳酸钙物质的量等于碳酸钠物质的量，所以碳酸钠的质量为$\frac{{m}_{2}}{100}$×106g，则该样品中碳酸钠的质量分数为$\frac{\frac{{m}_{2}}{100}×106}{{m}_{1}}$×100%=$\frac{106{m}_{2}}{{m}_{1}}$%．
故答案为：$\frac{106{m}_{2}}{{m}_{1}}$%．
（5）在一定量样品中加入足量Ca（OH）₂溶液，此时分别发生如下反应Na₂CO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+2NaOH，
NaHCO₃+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+NaOH+H₂O，均产生CaCO₃沉淀，根据样品的总量和生成CaCO₃沉淀的量，可以计算碳酸钠质量，就可得出纯碱的质量分数．故用氢氧化钙溶液代替氯化钙溶液作沉淀剂，在其他操作正确的情况下，测得样品中的碳酸钠质量分数不变，所涉及的离子反应方程式为：CO₃^2-+Ca²⁺=CaCO₃↓，HCO₃^-+Ca²⁺+OH^-=CaCO₃↓+H₂O，
故答案为：不变，CO₃^2-+Ca²⁺=CaCO₃↓，HCO₃^-+Ca²⁺+OH^-=CaCO₃↓+H₂O；
方案三：
（6）本实验采用图3装置，实验中进行的第一步操作名称是检查装置气密性，C装置干燥二氧化碳，所以C中盛放的物质是浓硫酸；
故答案为：检查装置气密性，浓硫酸；
（7）该方案关键是要获得产生的CO₂的质量，实验前容器内含有空气，空气中含有二氧化碳，会影响生成的二氧化碳的量，反应后装置中容器内含有二氧化碳，不能被C中碱石灰完全吸收，导致测定结果有较大误差，所以反应前后都要通入N₂，反应后通入N₂的目的是：排尽装置内的空气，将生成的二氧化碳从容器内排出，被D装置中碱石灰吸收．
故答案为：排尽装置内的空气，将生成的二氧化碳从容器内排出，被D装置中碱石灰吸收；
（8）测定生成CO₂的质量是测定装置D反应前后质量变化得到二氧化碳质量，
故答案为：装置D反应前后质量；

点评 本题考查了以实验探究“工业纯碱（假设仅含碳酸氢钠杂质）中碳酸钠的质量分数”为载体，对于实验原理与装置理解评价、实验基本操作、化学计算等，难度中等，题目涉及到的小苏打和纯碱的化学知识是多方面的，构成了一道多角度的探究题．