實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的條件探索

徐林 唐亞文

摘要：針對無機(jī)化學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“二氧化碳制備及其相對分子量的測定”進(jìn)行了改進(jìn)。探討了鹽酸濃度與二氧化碳發(fā)生量與發(fā)生速率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：二氧化碳的生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸的利用率與鹽酸濃度成反比。4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)制備二氧化碳，能夠獲得較快和相對平穩(wěn)的氣體發(fā)生速率。經(jīng)過改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕p少1/3的鹽酸用量，同時大大降低了由于廢液排放而造成的環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;鹽酸;石灰石

文章編號：1008-0546（ 2019） 11-0091-02

中圖分類號：G.633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.025

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性的獨(dú)立課程，不僅是驗(yàn)證理論知識，更是通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、推理、判斷、歸納總結(jié)的能力，訓(xùn)練科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和技能，培養(yǎng)獨(dú)立工作和解決問題的能力[1]。但在實(shí)際的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著某些明顯的不足，如藥品用量較大、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等。如何對現(xiàn)有的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)從而有效降低藥品的用量，減少實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液對降低環(huán)境污染非常有意義。

“二氧化碳制備及其相對分子量的測定”是無機(jī)化學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[2]。教材中用6mol/L的鹽酸與石灰石反應(yīng)制備CO2。實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)存在幾個問題[3]：1、浪費(fèi)嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的廢液中含有大量未反應(yīng)完的鹽酸，回收困難。同時，作為廢液處理既造成環(huán)境污染，又大大增加了實(shí)驗(yàn)成本。2、反應(yīng)生成的CO2含有大量的HCl氣體。本文希望對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，探討鹽酸濃度對氣體發(fā)生量和發(fā)生速率的影響，從而降低實(shí)驗(yàn)成本，減小環(huán)境污染，提高教學(xué)效果。

一、實(shí)驗(yàn)過程

將過量的石灰石（主要成分為碳酸鈣）置于啟普發(fā)生器中，分別加入1、2、3、4、5、6mol/L的鹽酸溶液400mL。利用排水集氣法收集產(chǎn)生的CO2。

二、結(jié)果與討論

圖1為不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)收集到的C02體積與時間關(guān)系。圖1顯示，在反應(yīng)初期，隨著反應(yīng)時間延長，CO2發(fā)生量逐漸增大。6mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應(yīng)的初始速度盡管較快，但5min后曲線很快趨于平緩，CO2的發(fā)生量明顯下降，因此在實(shí)驗(yàn)過程中，如果采用6 mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應(yīng)，必須控制好相應(yīng)的反應(yīng)時間。從圖1中還能清楚地觀察到，隨著鹽酸濃度逐漸增加，收集到的CO2體積也逐漸增大。當(dāng)鹽酸濃度增大到4 mol/L以上時，收集到的CO2的體積變化不再明顯。因此實(shí)驗(yàn)過程中，可能使用4mol/L鹽酸更加合適。

圖2為相同體積下，不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)所收集到的二氧化碳的發(fā)生速率與時間的關(guān)系。由圖2可以看出，隨著反應(yīng)進(jìn)行，二氧化碳的反應(yīng)速率卻在不斷下降。6mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的初始速度盡管較快，但5min后反應(yīng)速率迅速下降。而4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)速率比較平穩(wěn)，因此選用4mol/L鹽酸可能更加合適。

表1為相同體積（400mL）、不同濃度的鹽酸與石灰石反應(yīng)所制備的二氧化碳的體積及鹽酸的利用率。6mol/L的鹽酸與石灰石反應(yīng)的利用率僅僅72.1%，隨著鹽酸濃度的降低，二氧化碳的體積也隨之減小，但鹽酸的利用率卻在增加。由于產(chǎn)物氯化鈣的溶解度較大（30°，102g）[4]，可以排除產(chǎn)物析出的影響。因此，影響其產(chǎn)率的主要原因與高濃度的鹽酸中的HCl氣體容易隨著CO2逸出有關(guān)。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)室制備二氧化碳時鹽酸濃度以4mol/L為宜。

三、結(jié)論

本文探討了鹽酸濃度與二氧化碳發(fā)生量與發(fā)生速率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：

1、二氧化碳的生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸的利用率與鹽酸濃度成反比。

2、4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)制備二氧化碳，能夠獲得較快和相對平穩(wěn)的氣體發(fā)生速率。

3、經(jīng)過改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕p少1/3的鹽酸用量，同時大大降低了由于廢液排放而造成的環(huán)境污染。

參考文獻(xiàn)

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