Question

10．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，设计了下列四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．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、冷却、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：称取mg样品配成250mL溶液，从中取25mL溶液先用酚酞作指示剂用0.1mol•L^-1HCl溶液滴定至终点，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₁mL，继续用甲基橙作指示剂滴定至终点，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₂mL．则该样品中碳酸钠的质量分数为：$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%．
方案三：纯碱样品溶液$\stackrel{氯化钙溶液}{→}$测定沉淀质量
（3）称取m₁g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．将反应混和物过滤后的下一步操作是：洗涤沉淀，沉淀经干燥后称量为m₂g．
（4）如果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将比实际不变（填“偏高”、“偏低”或“不变”）．
方案四：纯碱样品$\stackrel{加热}{→}$测定生成二氧化碳的质量
（5）本实验采用如下图装置，C中盛放的物质是浓硫酸．
（6）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．

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，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．
（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．
方案二：根据实验原理，用酚酞作指示剂时，发生反应为：Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl，用0.1mol•L^-1 HCl溶液滴定至终点，消耗0.1mol•L^-1 HCl溶液V₁ mL，继续用甲基橙作指示剂滴定至终点，发生反应：：NaHCO₃+HCl=H₂O+CO₂↑+NaCl，由此分析计算；
方案三：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．
（4）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．
方案四：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．
（5）C装置干燥二氧化碳．
（6）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．

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；保证NaHCO₃全部分解．
（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：根据实验原理，用酚酞作指示剂时，发生反应为：Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl，用0.1mol•L^-1 HCl溶液滴定至终点，消耗0.1mol•L^-1 HCl溶液V₁ mL，应根据V₁来计算碳酸钠的质量；继续用甲基橙作指示剂滴定至终点，发生反应：：NaHCO₃+HCl=H₂O+CO₂↑+NaCl，消耗0.1mol•L^-1HCl溶液V₂mL．根据（V₂-V₁）计算NaHCO₃的质量，则Na₂CO₃的质量分数为：$\frac{0.1mol/L×{V}_{1}×106g/mol}{0.1mol/L×{V}_{1}×106g/mol+0.1mol/L×（{V}_{2}-{V}_{1}）×84g/mol}$=$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%，故答案为：$\frac{106{V}_{1}}{106{V}_{1}+84（{V}_{2}-{V}_{1}）}$×100%；
方案三：
（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沉淀；故答案为：洗涤沉淀；
（4）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；故答案为：不变；
方案四：
（5）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：浓硫酸；
（6）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．

点评 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，考查学生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．