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对2019年高考江苏卷化学第19题的解析

(2019-07-24 17:24:56)
标签:

碳酸氢铵溶液

碳酸铵溶液

沉淀转化反应

加快反应速度的方法

杂质去除

分类: 高考试题解析

2019年高考江苏卷化学第19题的解析

碳酸铵是一个不常见的二元弱酸弱碱盐。加之它有极为特殊的水解情况,一般不宜出现在中学化学教学中。

但是,在2019年高考江苏卷化学第19题,就比较深入地涉及到了这个化学物质。给教师的解析也造成了一些麻烦。

该题如下:

对2019年高考江苏卷化学第19题的解析

对该题可以解析如下。

一、对第(1)题的解析

由于沉淀转化反应,CaSO4(s)+CO32-=CaCO3(s)+SO42-,的平衡常数比较特殊。

其平衡常数的表达式就是,对2019年高考江苏卷化学第19题的解析

加之该平衡常数在数值上,又只与两个难溶物的溶度积相关,对2019年高考江苏卷化学第19题的解析

这样就有,对2019年高考江苏卷化学第19题的解析

从这个反应的平衡常数不难看出,在理论上,该沉淀转化反应进行的相当完全。因为达到沉淀转化平衡时,溶液中的[SO42-],可以是剩余[CO32-]16000倍。

也就是说,如果最终的溶液中哪怕欲有[SO42-]=5.0 mol·L-1,也只要其中的[CO32-]不少于0.000313(也就是3.13×10-4mol·L-1,即可。

二、对第(2)题的解析

这个小题有两问。

1.      第一问

写氨水与NH4HCO3溶液混合,以制备(NH4)2CO3溶液的离子方程式。

这是一个酸式盐与弱碱反应,而生成正盐的反应。

对离子反应方程式较熟悉的学生,可以直接写出,

HCO3-+ NH3= CO32-+ NH4 ……(1

即便是先写出化学方程式,NH4HCO3+ NH3=(NH4)2CO3。然后将可溶性盐拆分为离子的形式,NH4+ +HCO3-+ NH3=2NH4++CO32-。再消去两端都有的一个NH4+离子,最后也有,

HCO3-+ NH3= CO32-+ NH4

写出这个式子,看似没有任何难度。

但是,如果不了解NH4HCO3(NH4)2CO3在溶液中的实际物种存在状态,是很难知道其中到底发生了那些变化的。

不妨将这两个溶液中各种离子的浓度比较如下:

对于1.0 mol·L-1NH4HCO3(NH4)2CO3溶液,其中各种离子的实际(平衡)浓度(单位是mol·L-1)如下表:

物质

[HCO3-]

[H2CO3]

[CO32-]

[OH-]

[NH4+]

[NH3]

NH4HCO3

0.9601

0.03657

0.003288

6.105×10-7

0.9667

0.03329

(NH4)2CO3

0.9198

0.001409

0.07835

1.518×10-5

1.077

0.9226

是加+1.0

浓度变化

-0.0403

-0.0352

+0.0751

+24.86

+0.1103

-0.1107

可见,原NH4HCO3溶液是一个,含有大量HCO3-NH4+离子的溶液(如第一数字行中的红色数字所示)。

而所谓的(NH4)2CO3溶液是一个,仍含有大量HCO3-NH4+离子(如第二数字行中的红色数字所示),同时有大量NH3分子(如第二数字行中的蓝色数字所示)的溶液。其中的[CO32-]虽然较上一行的数字增大了20多倍,但最终也只有“0.07835 mol·L-1”(紫色粗体字所示)。它基本是一个由NH4HCO3NH3组成的混合溶液。也可以认为,其中水解反应“NH4++ CO32-= HCO3-+ NH3”进行的相当彻底。

换一句话说,氨水与NH4HCO3溶液混合,基本上是一个两者混合起来的物理过程。

其中有没有化学反应呢?

当然也有化学变化,从最下一行数字可以看出那些许变化的真实情况。加入较多的氨水后,有3种物质的浓度减少了(红色字体)。有2种物质的量显著增加了(蓝色字体表示,这就是反应的产物)。

从中不难分析出,加入的1.0 mol·L-1氨水中,从溶液微观组成看,只有0.1107mol·L-1的氨(11.1%),参与了如下的两个反应。

其中有0.0403 mol·L-1NH3参与了反应,HCO3-+ NH3对2019年高考江苏卷化学第19题的解析 CO32-+ NH4 ……(2

另有0.0704 mol·L-1NH3参与了反应,H2CO3+ 2NH3对2019年高考江苏卷化学第19题的解析CO32-+ 2NH4+ ……(3

从微观过程看,参与反应(3)的NH3,要比参与反应(2)的NH3还要多。

但是,作为描述宏观过程的化学方程式,还是只能写为式(2)。

由于这个氨水与NH4HCO3溶液混合过程中,各物质的相对量变化十分有限。所以,所谓的(NH4)2CO3溶液,基本上只是一个NH3- NH4+缓冲溶液。

这样,前面的方程式(1)应该被认为是错的。其中必须要用可逆符号(其逆向进行的趋势也更大)。

2.      第二问

(NH4)2CO3溶液浸取废渣时,过量氨水的作用是什么?

如果从反应的初始阶段看,(NH4)2CO3溶液中浓度不大的[CO32-],也能够胜任CaSO4的转换。这时氨水再过量对于整个溶液的pH值、乃至[CO32-]也不会有什么显著的影响。因为,它原来就是一个“NH3- NH4+缓冲溶液”。

过量氨水的作用,要写出反应的结果才能看得出来。其化学方程式为CaSO4(s)+(NH4)2CO3=CaCO3(s)+(NH4)2SO4

从上一方程式不难看出,由于反应产物端有强酸弱碱盐(NH4)2SO4生成,随反应的进行这个溶液的酸性会不断增强。这会使溶液中的[CO32-]更进一步减小,而不利于沉淀转换反应的完成。

对这一问回答为“增加溶液中CO32-的浓度”,那是对反应开始前而言的。但是这个作用极为有限,以至于可以忽略不计。

严格地说,“使溶液始终保持有一定的碱性,CO32-浓度不因NH4+离子的积累而被降低”。这才是更为准确地回答。

三、对第(3)题的解析

这是一个有关化学实验原理的小题。

1.      第一问

涉及的是,选择一个合适的反应温度。

由于这个工业上的沉淀转化反应特点为,在块状CaSO4的外表面就要生成难溶的CaCO3,产物CaCO3对反应物CaSO4有一个包裹的作用。所以,这类反应进行的都会相当的慢。

上世纪初,用石灰乳Ca(OH)2Na2CO3溶液反应,来制取NaOH溶液的过程也是这样的。为此,除了需要通过加热来加快这个反应速度外,还要用搅拌的方法来破坏CaCO3对微小Ca(OH)2颗粒的包裹。

所以,要想让本题这个反应进行的较为完全(也就是提高CaSO4转化率)的措施,应该有4项。那就是:

CaSO4研磨的尽可能的细小,提供尽可能高的反应温度,强力搅拌,延长反应的时间。

考虑到溶剂(NH4)2CO3溶液本来就是一个,氨与NH4HCO3的混合溶液。在加热时会有相当量的氨因在水中溶解度变小而逸出。

所以,该问要求回答的“温度过高,导致CaSO4转化率下降”的原因,就应该是“会有氨逸出,使反应体系的酸度增加,CO32-浓度减少”。

2.      第二问

在“保持反应温度、时间……”的条件下,提高CaSO4转化率的操作,应该还有“把CaSO4研磨的尽可能的细小”和“加快搅拌速率”。

四、对第(4)题的解析

该题借用滤渣到轻质碳酸钙这个生产过程,让学生设计一个,从滤渣到CaCl2溶液的实验方案。

滤渣的主要成分为CaCO3。其中还有少量的SiO2Al2O3Fe2O3

从其中分离出杂质,并用CaCO3来制取CaCl2的方法,应该有许多种。

即便是规定了,必须使用盐酸和Ca(OH)2。但其制备方法也不会是唯一的。

第一种,也是比较理想化的方法是:

第一步,将滤渣放入一定量的水中后,用HCl来调节这个水溶液的pH值。在pH稍显酸性时(如pH=6.8,此时溶液中仍有[HCO3-]>[H2CO3],而不会有CO2逸出)但是有反应2CaCO3(s)+2HCl=Ca(HCO3)2+CaCl2

而此时,SiO2Al2O3Fe2O3,都不会溶解。可以用过滤的方法,分离除去所有这些杂质。

第二步,滤液(主要为Ca(HCO3)2,但也有CaCl2)则可用加Ca(OH)2溶液的方法。也就是发生反应,Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2= 2CaCO3+ 2H2O,而重新得到CaCO3产品。经洗涤、干燥后,即得成品即轻质CaCO3

该方法的优点是,消耗的盐酸与氢氧化钙会最少。

这个方法的缺点是,由于溶液的酸性不能过强(防止CO2跑掉)。该反应的速度会较慢(但是也不会太慢,因为这里的CaCO3颗粒都很细小)。

第二种,就是该题标准答案中的方法。

第一步,在搅拌下加入足量的盐酸。“待观察不到气泡产生后”,使CaCO3Al2O3Fe2O3都溶解,只剩下SiO2不溶。然后过滤,去掉SiO2

第二步,在含有CaCl2AlCl3FeCl3的滤液中,再加入Ca(OH)2溶液。并控制溶液的pH5-8.5之间。中和掉过量的HCl,并使Al(OH)3Fe(OH)3沉淀下来,且前者不会在碱溶液中溶解。然后再过滤就去掉这些氢氧化物,就可以了。

这个方法的优点是,反应的速度快,反应条件也比较容易控制。

该方法有两个缺点。

一是,消耗的盐酸、Ca(OH)2都很多。从物料平衡的角度看,也不应该让CO2都跑掉。

二是,这个制取CaCl2溶液的步骤,仿佛与生产CaCO3的关系不大。因为用CaCl2来制取CaCO3,最后好像还要继续用较大量的Na2CO3。这在生产上极不经济。

参考文献

[1] 伍伟夫. 碳酸氢铵与碳酸铵溶液中氢离子浓度的计算. 新浪博客. 化学原理补正

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