关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验研究

人教版高中化学必修教材[1]第一册32页有这样一个实验：在两只试管中分别加入3mL稀盐酸，将两个各装有0.3gNa2CO3和NaHCO3粉末的小气球分别套在两只试管口。将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中，比较它们放出CO2的快慢。由此实验得出的结论是：Na2CO3和NaHCO3都能与稀盐酸反应，但NaHCO3与稀盐酸的反应要比Na2CO3与稀盐酸的反应剧烈得多。笔者认为该实验存在如下问题：
1     对这个实验的质疑
1.1   教材中没有指明稀盐酸的具体浓度
    只要是稀盐酸就可以吗？浓度小于等于6mol/L的盐酸都是稀盐酸，笔者将6mol/L的稀盐酸同时加入Na2CO3和NaHCO3固体中，反应现象同样的剧烈，根本分辨不出Na2CO3和NaHCO3。笔者通过大量的实验证明只有浓度小于1mol/L的稀盐酸跟Na2CO3和NaHCO3反应才能根据反应的剧烈程度区分Na2CO3和NaHCO3。鲁科版化学新教材中把这个实验中盐酸的浓度定为0.5mol/L，应该也是基于这方面的考虑。
1.2   用等质量的Na2CO3、NaHCO3与等量盐酸反应比较速率科学吗？
    化学反应速率的快慢不仅取决于物质的性质，还与反应物的浓度有关。0.3g Na2CO3的物质的量为0.0028mol，0.3g NaHCO3的物质的量为0.0036mol，加入3mL稀盐酸后，如果不考虑溶液体积变化，Na2CO3的物质的量浓度为0.93mol/L，NaHCO3的物质的量浓度为1.2mol/L，由此NaHCO3与等量盐酸反应来比较反应速率是不科学的。
1.3   通过产生气体的量比较反应速率科学吗？
    根据化学反应方程式，盐酸浓度为1mol/L（该浓度可以根据与盐酸的反应现象区分出碳酸钠和碳酸氢钠）时：

    上述两个反应盐酸的量都是不足的，产生气体的量应该由盐酸的量来计算，而盐酸的量是相同的，因此在不考虑误差的情况下，气球胀得应该是一样大的。若盐酸是足量的，NaHCO3比Na2CO3产生的CO2气体多，是因为等质量的Na2CO3物质的量比NaHCO3物质的量小，跟反应速率是没有关系的，所以用产生气体的量来比较反应速率也是不科学的。
2  Na2CO3和NaHCO3与20mL 6mol／L盐酸反应热效应的定量测定
    在实验过程中发现，Na2CO3和NaHCO3与稀盐酸反应的热效应是明显不同的，Na2CO3与稀盐酸反应有明显的放热现象，而NaHCO3与稀盐酸反应有明显的吸热现象，关于这一点有关资料也提到了，但是未见有对其热效应进行系统定量研究的。笔者设计了如下实验，用定量研究的方法来证明二者与稀盐酸反应的热效应不同：分别取两只试管，加入等质量的Na2CO3和NaHCO3固体，通过滴液漏斗以相同的速率滴加20mL 6mol/L盐酸，由温度计的温度变化比较二者热效应的不同。实验装置如下：

实验结果见表1：
表1 相同质量的Na2CO3、NaHCO3与20mL 6mol/L

盐酸反应的温度变化（室温15℃）

（20mL6mol/L 盐酸与6gNa2CO3 、NaHCO3、应都是足量）
通过实验结果我们可以看出，随着反应物质量的逐渐增加，反应后溶液的温度变化逐渐明显；这能不能就说明Na2CO3与稀盐酸反应是一个放热过程，而NaHCO3与稀盐酸反应就是一个吸热过程呢？有没有可能是固体溶于水的热效应呢？于是又做了如下对照实验：分别将同样质量的Na2CO3 、NaHCO3固体溶于20mL的水中，测量溶液的温度变化，实验结果见表2：
表2 相同质量Na2CO3 、NaHCO3溶于水的温度变化

（注：20℃时，NaHCO3的溶解度为9.6g/100g水，随着温度的降低NaHCO3的溶解度逐渐减小，故15℃时，3g NaHCO3溶于20mL水后即形成了饱和溶液，再增加NaHCO3的质量，溶液温度不再变化）
    通过以上结果可以看出，Na2CO3溶于水伴有一定的放热现象，NaHCO3溶于水伴有一定的吸热现象，因为Na2CO3中的碳酸根离子为 价阴离子，溶解时水合热较大，对外表现放热，NaHCO3的晶体中碳酸氢跟与氢键相连，在溶解的过程中需要吸收一定的热量来破坏氢键，碳酸氢跟水解也吸收一定的热量，所以对外表现为吸热，但是对比两组实验的数据，我们可以看到Na2CO3跟稀盐酸反应也是放热反应；而NaHCO3跟稀盐酸反应以后，溶液的降温幅度比溶于水后的降温幅度更大，NaHCO3跟稀盐酸反应是吸热反应。我们可以从这两个反应的标准摩尔反应焓变找到原因：
             ①
                ②
表3        几种物质标准状况下的生成焓（数据来源于[2]）

根据公式：
反应①

反应②
（ ，此反应为吸热反应。）
3     鉴别Na2CO3和NaHCO3的方法
    基于以上的实验及分析，笔者提出了鉴别Na2CO3和NaHCO3的方法：在两只小烧杯中，各加入9mL 6mol/L 盐酸，分别向其中加入3g Na2CO3、NaHCO3固体，迅速将小烧杯放在事先已经滴有6滴水的玻璃片上，随着反应的进行，由于NaHCO3与稀盐酸反应吸收热量而使玻璃片上的水结冰，从而将玻璃片与小烧杯粘在一起，Na2CO3与稀盐酸反应则使烧杯发烫。（实验时的室温为23℃）