
(20180214补充)
笔者将提问者引用的参考书《化学实验的启示与科学思维的训练》(严宣申著,北京:北京大学出版社,1993.12)1.5节的部分原文截图贴在这里:
原文中“实验1”的实验结果笔者动手实验验证过,至少在笔者按照原文给出实验条件进行实验的情况下,这个实验结果是正确的。
但后面的“顺便提及”,笔者经过实验验证却不一定完全正确,只要饱和澄清石灰水用量大一些,二氧化硫通入速度慢一些,虽然达到浑浊的时间较长,但是很容易看到先浑浊后澄清的现象,参见笔者贴出的实验照片。
原文中“CaSO3仅是微溶物”这一判断,以及给出的CaSO3 Ksp数值也不一定是准确的,笔者查阅过多篇参考文献,CaSO3的Ksp均不是10^(-4)这一数量级。
尽信书不如无书,再重复强调一遍。
附注:评论中有网友提到,向饱和澄清石灰水中吹气,看不到浑浊完全消失,可能是因为人体呼出气体中二氧化碳仅占4%左右,二氧化碳分压不够高,导致碳酸钙沉淀不能完全溶解,笔者承认是疏忽了,这一因素被笔者的疏忽忽略,这一简单实验验证方案中确实存在设计疏漏,还是应该用实验室制取二氧化碳的方法得到二氧化碳,然后经水洗除去氯化氢、酸雾等杂质,得到较纯的二氧化碳,再通入饱和澄清石灰水中,进行实验验证。但笔者也确认,制取并水洗二氧化碳,通入饱和澄清石灰水中验证的实验,笔者以前也做过,确实得不到完全澄清的液体,与《化学实验的启示与科学思维的训练》中的描述一致,但当时的实验没有条件拍照(20多年前了),如果有时间,笔者会重做此实验验证并拍照,但目前盐酸已经纳入第三类易制毒化学品进行管制,笔者可能会采取其他方法制取二氧化碳,例如将硫酸氢钠溶液滴加到碳酸钠粉末上等方法。
——————————分割线——————————
(20180212补充)
看到某些网友在本文后面的评论,笔者不由得再强调一遍:化学是以实验为基础的学科,尽信书不如无书,这两句话实在是太重要了。
遇到一种实验现象,证实或者证伪,都应该用实验的手段来进行,绝对不是乱找所谓的“权威”、“经典”甚至“国外”的“参考文献”来证实或者否定,如果真这样做,在学术界只能贻笑大方——为什么能打韩春雨的“假”,是因为很多国内外同行,按照他提供的“实验方法”,重新做实验,没法重现他在论文中的“实验结果”,这才是能“打假”的根本原因,韩春雨本人最后也只能“撤稿”了事,这是最有说服力的。须知,新现象怎么一定能用现有的“理论”和“参考文献”解释?
如果学完一本“经典”化学书,就认为“化学中所有问题都解决了”,那这种学习就彻底失败了,这里举个例子:
提问者所用的一本参考书是《化学实验的启示与科学思维的训练》,这是一本很经典的书籍,其中1.5节讨论了二氧化碳通入饱和澄清石灰水实验现象的问题。
但就是这本书,同样是1.5节,却给出了“二氧化硫通入澄清石灰水不容易看到浑浊”的结论,这么“经典”和“权威”的书,这个结论应该不容置疑吧。
可笔者偏偏就做了个实验,证实,二氧化硫通入澄清石灰水,就是能看到先浑浊后澄清的现象,这里贴出三张实验时拍摄的照片:
1、具支试管中加入5g左右的焦亚硫酸钠(Na2S2O5),分液漏斗中加入约30ml 3mol/L硫酸氢钠(NaHSO4)溶液,锥形瓶中盛装约200ml饱和澄清石灰水。
2、将硫酸氢钠溶液滴加到焦亚硫酸钠粉末上,生成二氧化硫气体通入澄清石灰水,通入一段时间后,澄清石灰水突然开始变浑浊,随后浑浊程度迅速增大,白色沉淀物开始向锥形瓶底部下沉。
Na2S2O5 + 2NaHSO4 = 2Na2SO4 + H2O + 2SO2↑
Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3↓ + H2O
3、继续滴加硫酸氢钠溶液以生成更多的二氧化硫气体,一段时间后,浑浊的液体逐渐澄清,锥形瓶底部残留少量白色沉淀物(最终也全部溶解)。
CaSO3 + H2O + SO2 = Ca(HSO3)2
实验事实证明,二氧化硫可以让澄清石灰水变浑浊,随后又变澄清。实验成功的关键是:1、澄清石灰水的用量要足够大(笔者用到200ml);2、二氧化硫气体的发生和通入速度要适当控制。
——————————分割线——————————
(原文)
尽信书不如无书,Chemistry:Chem is try,化学是以实验为基础的学科,这种很容易通过实验证实的结论,是不需要四处找所谓“权威”文献的。
一般实验室制取二氧化碳,是用块状的石灰石或者大理石,即以碳酸钙为主要成分的岩石,与1:2—1:1的稀盐酸(约4mol/L—6mol/L)反应制取,盐酸浓度并不很低,生成的气体中不可避免地夹杂少量氯化氢,反应剧烈时还可能夹杂酸雾。
将这样制取得到的二氧化碳通入饱和澄清石灰水中,能够看到液体先浑浊后澄清的现象。但只需要将这样制取的二氧化碳通过一个盛有水的洗气瓶洗涤一下,基本除去夹杂的氯化氢和酸雾,再通入饱和澄清石灰水,可以看到液体先变浑浊,随后浑浊程度减轻,也可以说变得澄清,但最后是得不到完全澄清溶液的。
这个实验也可以简单地在家中进行,取一瓶纯净水(不可用矿泉水),倒出少量,然后在剩下的水中投入几克熟石灰(不可直接用生石灰,防止发热造成事故!),拧紧瓶盖充分摇振后,静置24小时以上,上层清液即为饱和澄清石灰水。将饱和澄清石灰水少量(30ml左右)注入透明杯中,用一根饮料吸管向其中吹气,液体很快浑浊,但无论吹气多长时间,也很难得到完全澄清的液体。
注意:上述实验中,澄清石灰水都必须是饱和的,也就是氢氧化钙的饱和水溶液,如果石灰水不饱和,或者石灰水在未完全密封的情况下放置时间过久,部分氢氧化钙已经与空气中的二氧化碳反应,导致氢氧化钙浓度下降,则最后液体有可能完全澄清。
这一实验证明,常温常压下,过量二氧化碳与饱和澄清石灰水反应,最终生成碳酸氢钙的反应无法进行到底。或者说,“碳酸氢钙”在水溶液中是不能高浓度存在的。
更严格地说,水溶液中并不存在所谓的“碳酸氢钙”,只存在钙离子和碳酸氢根离子,这两种离子在水溶液中根本不能高浓度共存,浓度稍高就会发生下列反应:
Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3↓ + H2O + CO2↑
这就是所谓“碳酸氢钙分解反应”的实质,该反应有两个向右进行的推动因素:生成难溶碳酸钙沉淀,以及二氧化碳气体逸出,只要钙离子和碳酸氢根离子浓度稍高,反应就很容易向右进行。如果加热使得二氧化碳更充分逸出,反应更容易向右进行到底,这也就是所谓的“碳酸氢钙热分解反应”。
高浓度钙离子和碳酸氢根离子在水溶液中不能共存的实验,也很容易在家中进行。市售衣柜“除湿桶”中如果盛装的是白色小球状颗粒物,则一般是工业无水氯化钙,拆开一个“除湿桶”,称取10g左右白色小球(无水氯化钙,可用厨房电子秤称取),用约100ml纯净水溶解;再称取8g左右食用小苏打(碳酸氢钠),也用约100ml纯净水溶解,最后将两种溶液混合,立即可见白色浑浊,以及气泡产生。
因此,“氯化钙溶液和碳酸氢钠溶液反应吗?”这样的问题,结论是肯定的——会反应。通常情况下根本不存在固体的“碳酸氢钙”,更不要说测定其溶解度了。
顺便说说,生物体内石灰质的形成,例如蛋壳、贝壳、珊瑚等的形成,就与Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3↓ + H2O + CO2↑这一反应(在生物体内也可能是Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3↓ + H2CO3)有关。分泌石灰质的细胞能够运载Ca2+和HCO3-两种离子到细胞外,当两种离子的浓度达到一定值后,即发生上述反应,碳酸钙沉淀下来逐渐形成石灰质,这就是为什么母鸡食物中缺钙容易生软壳蛋的原因——没有足够的Ca2+。
