Question

2．工业制纯碱的第一步是通过饱和食盐水、氨和二氧化碳之间的反应，制取碳酸氢钠晶体．该反应原理可以用以下化学方程式表示，已知此反应是放热反应． NH₃+CO₂+H₂O+NaCl（饱和）═NaHCO₃（晶体）↓+NH₄Cl
（1）利用上述反应原理，设计如图所示装置，制取碳酸氢钠晶体．B中盛有饱和碳酸氢钠溶液，C烧杯中盛有冰水，D中装有蘸稀硫酸的脱脂棉，图中夹持装置已略去．制取碳酸氢钠晶体可供选用的药品有：a．石灰石 b．生石灰 c．6mol/L盐酸  d．稀硫酸 e．浓氨水 f．饱和氯化钠溶液．

①A中制备气体时，所需药品是（选填字母代号）ac；
②B中盛有饱和碳酸氢钠溶液，其作用是除去CO₂中的HCl；
③在实验过程中，向C中通入气体是有先后顺序的，应先通入气体的化学式为NH₃；
④E装置向C中通气的导管不能插入液面下的原因是防倒吸．
（2）该小组同学为了测定C中所得晶体的碳酸氢钠的纯度（假设晶体中不含碳酸盐杂质），将晶体充分干燥后，称量质量为w g．再将晶体加热到质量不再变化时，称量所得粉末质量为m g．然后进行如图所示实验：

①在操作Ⅱ中，为了判断加入氯化钙溶液是否过量，其中正确的是（选填字母序号）A；
A．在加入氯化钙溶液后，振荡、静置，向溶液中继续加入少量氯化钙溶液
B．在加入氯化钙溶液后，振荡、静置，向溶液中再加入少量碳酸钠溶液
C．在加入氯化钙溶液后，振荡、静置，取上层清液再加入少量碳酸钠溶液
②操作Ⅲ的方法为过滤、洗涤、干燥；
③所得晶体中碳酸氢钠的纯度为$\frac{168n}{w}%$．

Answer 1

分析 （1）根据侯氏制碱法NH₃+CO₂+H₂O+NaCl （饱和）═NaHCO₃（晶体）+NH₄Cl，可知此反应需要的原料为二氧化碳、氨气、饱和食盐水；
①A装置为制取二氧化碳装置，反应的离子方程式为CaCO₃+2H⁺=Ca²⁺+CO₂↑+H₂O；
②A中制得的CO₂中混有HCl，需要利用B装置除去CO₂中的HCl；
③C装置发生的是侯氏制碱法原理，要通入NH₃和CO₂，因CO₂在水中溶解度小，先通CO₂溶液里得到的HCO₃^-浓度较低，无法得到NaHCO₃沉淀，应选择先通氨气；
④E中生成的气体是氨气，极易溶解于水，溶解时要注意防倒吸；
（2）测定C中所得晶体的碳酸氢钠的纯度（假设晶体中不含碳酸盐杂质），将晶体充分干燥后，称量质量为wg，此时为碳酸氢钠粗品质量，操作1将晶体加热到质量不再变化时，所得粉末为碳酸钠和杂质，然后溶解，加入氯化钙溶液，氯化钙跟碳酸钠反应生成碳酸钙，将生成的碳酸钙过滤、洗涤、干燥，称量为n g，根据关系式2NaHCO₃--CaCO₃可求出纯碳酸氢钠的质量．
①操作Ⅱ中，加入氯化钙溶液会有白色沉淀生成，当氯化钙过量时，就不会再生成沉淀；
②从溶液里得到不溶性的固体碳酸钙可选择过滤，再进行洗涤、干燥；
③根据反应过程中碳原子守恒，利用生成碳酸钙的物质的量计算样品中碳酸氢钠的质量，再计算纯度．

解答 解：（1）①A装置为制取二氧化碳装置，反应的离子方程式为CaCO₃+2H⁺=Ca²⁺+CO₂↑+H₂O，需要选择石灰石和稀盐酸，故答案为：ac；
②B装置得用盛装的饱和碳酸氢钠溶液除去CO₂中的HCl，故答案为：除去CO₂中的HCl；
③选择先通NH₃，后通CO₂，一是因为NH₃的溶解度大，二是其水溶液显碱性能溶解更多的CO₂，使溶液里HCO₃^-的浓度增大，故答案为：NH₃；
④为防止氨气溶解时产物倒吸现象，E装置向C中通气的导管不能插入液面下，故答案为：防倒吸；
（2）测定C中所得晶体的碳酸氢钠的纯度（假设晶体中不含碳酸盐杂质），将晶体充分干燥后，称量质量为wg，此时为碳酸氢钠粗品质量，操作1将晶体加热到质量不再变化时，所得粉末为碳酸钠和杂质，然后溶解，加入氯化钙溶液，氯化钙跟碳酸钠反应生成碳酸钙，将生成的碳酸钙过滤、洗涤、干燥，称量为n g，所此作答；
①为判断滴加的氯化钙溶液过量，可在加入氯化钙溶液后，振荡、静置，取上层清液再加入少量氯化钙溶液看是否有沉淀生成，故答案为：A；
②利用过滤、洗涤、干燥可从混合液中得到不溶性的碳酸钙沉淀，故答案为：过滤；洗涤；干燥；
③反应的化学方程式为①2NaHCO₃$\frac{\underline{\;加热\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，②Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃ ↓+H₂O+2NaCl，得到的碳酸钙需要经过过滤、洗涤、干燥后方可称量．
设样品中碳酸氢钠的质量为x，由上两式可得关系式：
    2NaHCO₃--CaCO₃
  84×2          100
   x              n
$\frac{84×2}{x}=\frac{100}{n}$，x=$\frac{168n}{100}$ g，
碳酸氢钠的质量分数为$\frac{x}{w}$×100%=$\frac{\frac{168n}{100}}{w}$×100%=$\frac{168n}{w}%$，
故答案为：$\frac{168n}{w}%$．

点评 本题考查侯氏制碱法NH₃+CO₂+H₂O+NaCl（饱和）═NaHCO₃（晶体）+NH₄Cl，明确各原料的制备方法及尾气处理是解题的关键．物质质量分数的计算，测定C中所得晶体的碳酸氢钠的质量，已知粗品的质量，求比值即可求得碳酸氢钠的质量分数．需要注意的是要区分m和w，易混淆．