Question

9．现拟用50mL NaOH溶液吸收CO₂气体，制备Na₂CO₃溶液．某研究性学习小组甲、乙、丙分别设计了如下实验方案：
甲：将50mL NaOH溶液盛装在锥形瓶中，用导气管通过CO₂气体．
乙：将CO₂气体通入50mL NaOH溶液中至过量，加热蒸发过滤得晶体，然后加热晶体完全分解，把所得粉末溶于水即制得Na₂CO₃溶液．
丙：①用25mL NaOH溶液吸收过量CO₂气体至不再溶解；②小心煮沸溶液；③冷却后再加入25mL NaOH溶液，使溶液充分混合即得Na₂CO₃溶液．
试回答：
（1）甲、乙、丙实验方案最合理的是丙．
（2）甲实验方案中，由于CO₂的通入量不同，溶液中的溶质不同，可能存在以下四种情况，请填写四种情况溶质的化学式：①Na₂CO₃、NaOH，②Na₂CO₃，③Na₂CO₃、NaHCO₃，④NaHCO₃，
（3）乙实验方案中，加热晶体的化学方程式为2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑，
（4）写出丙方案中的有关离子方程式：OH^-+CO₂=HCO₃^-、HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O或CO₂+2OH^-═CO₃^2-+H₂O、CO₃^2-+H₂O+CO₂=2HCO₃^-、HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O．

Answer 1

分析 甲：将50mL NaOH溶液盛装在锥形瓶中，用导气管通过CO₂气体，少量二氧化碳和氢氧化钠反应：2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O，剩余NaOH，再通入二氧化碳，氢氧化钠全部转化为碳酸钠：继续通入二氧化碳，Na₂CO₃+H₂O+CO₂═2NaHCO₃，有部分碳酸钠，溶质为：Na₂CO₃、NaHCO₃，继续通入二氧化碳，碳酸钠全部转化为碳酸氢钠；
乙：过量的CO₂与NaOH溶液反应生成NaHCO₃，其反应为NaOH+CO₂═NaHCO₃，然后加热晶体完全分解：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑把所得粉末溶于水即制得Na₂CO₃溶液；
丙：用25mL NaOH溶液吸收过量CO₂气体至不再溶解其过程为：2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O、Na₂CO₃+H₂O+CO₂═2NaHCO₃，酸式盐与碱反应生成盐和水，其反应为NaHCO₃+NaOH═Na₂CO₃+H₂O小心煮沸溶液，冷却后再加入25mL NaOH溶液，使溶液充分混合即得Na₂CO₃溶液．
（1）实验目的是制备Na₂CO₃溶液，甲方案制得碳酸氢钠，且消耗大量的二氧化碳，乙方案制得的溶液中含有碳酸氢钠，丙方案得Na₂CO₃溶液用的二氧化碳少，且溶质唯一；
（2）甲实验方案中，n（NaOH）：n（CO₂）＞2：1，产物为Na₂CO₃、NaOH，n（NaOH）：n（CO₂）＜1：1，产物为NaHCO₃，1：1＜n（NaOH）：n（CO₂）＜2：1，产物为Na₂CO₃、NaHCO₃；
（3）乙实验方案中，碳酸氢钠分解生成二氧化碳和水；
（4）用25mL NaOH溶液吸收CO₂气体，至CO₂气体不再溶解，冷却后再加入25mL NaOH溶液，n（NaOH）：n（NaHCO₃）=1：1，二者完全反应生成NaHCO₃，发生NaOH+CO₂=NaHCO₃．

解答 解：（1）实验目的是制备Na₂CO₃溶液，甲方案通过：2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O，Na₂CO₃+H₂O+CO₂═2NaHCO₃，制得碳酸氢钠，且消耗大量的二氧化碳，乙方案通过2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑制得的溶液中可能含有碳酸氢钠，且消耗大量的二氧化碳，丙方案得Na₂CO₃溶液用的二氧化碳少，且溶质唯一，无需加热消耗能源，操作简便，所以甲、乙、丙实验方案最合理的是丙，
故答案为：丙；
（2）甲实验方案中，将50mL NaOH溶液盛装在锥形瓶中，用导气管通过CO₂气体：
①n（NaOH）：n（CO₂）＞2：1，少量二氧化碳和氢氧化钠反应：2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O，剩余NaOH，溶质为：Na₂CO₃、NaOH；
②再通入二氧化碳，n（NaOH）：n（CO₂）=2：1，氢氧化钠全部转化为碳酸钠，溶质为：Na₂CO₃；
③继续通入二氧化碳，1：1＜n（NaOH）：n（CO₂）＜2：1，Na₂CO₃+H₂O+CO₂═2NaHCO₃，有部分碳酸钠，溶质为：Na₂CO₃、NaHCO₃；
④继续通入二氧化碳，n（NaOH）：n（CO₂）=1：1，碳酸钠全部转化为碳酸氢钠，溶质为：NaHCO₃；n（NaOH）：n（CO₂）＜1：1，二氧化碳剩余，溶质为：NaHCO₃；
故答案为：Na₂CO₃、NaOH；Na₂CO₃；Na₂CO₃、NaHCO₃；NaHCO₃；
（3）乙实验方案中，碳酸氢钠分解：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑，生成二氧化碳和水；
故答案为：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑；
（4）用25mL NaOH溶液吸收CO₂气体，至CO₂气体不再溶解，发生2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O、Na₂CO₃+H₂O+CO₂═2NaHCO₃，反应的离子方程式为：①CO₂+2OH^-═CO₃^2-+H₂O、②CO₃^2-+H₂O+CO₂=2HCO₃^-，NaOH完全反应生成NaHCO₃，将①+②得反应的总离子方程式为：OH^-+CO₂=HCO₃^-，
在得到的溶液中加入另一半（25mL）NaOH溶液，使其充分混合，发生NaHCO₃+NaOH=Na₂CO₃+H₂O，离子方程式为HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O，小心煮沸溶液，冷却后再加入25mL NaOH溶液，使溶液充分混合即得Na₂CO₃溶液，所以丙方案中的有关离子方程式为：OH^-+CO₂=HCO₃^-；HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O；或CO₂+2OH^-═CO₃^2-+H₂O、CO₃^2-+H₂O+CO₂=2HCO₃^-，HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O，
故答案为：OH^-+CO₂=HCO₃^-、HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O或CO₂+2OH^-═CO₃^2-+H₂O、CO₃^2-+H₂O+CO₂=2HCO₃^-、HCO₃^-+OH^-═CO₃^2-+H₂O．

点评 本题考查了Na₂CO₃溶液的制取，涉及制备原理实验条件控制、对操作方案分析评价等，为高频考点，侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，需要学生具备扎实的基础，掌握氢氧化钠和二氧化碳量的比与产物的关系是解答关键，题目难度中等．