人教版高中化学必修第一册第二章海水中的重要元素—钠和氯课时学案

微专题3　碳酸钠和碳酸氢钠的鉴别及转化

一、碳酸钠和碳酸氢钠的检验、鉴别

1.常用鉴别方法及原理

2.碳酸钠和碳酸氢钠都与氢氧化钙、氢氧化钡溶液反应产生白色沉淀,故无法使用氢氧化钙或氢氧化钡溶液鉴别两者。相关离子方程式

如下:

Na2CO3:Ba2++CBaCO3↓

[典型例题1]纯碱和小苏打是厨房中两种常见的用品,它们都是白色固体,有4位同学为鉴别它们采用了以下不同的方法,其中不可行的是(　　)

A.分别配成溶液,再加入澄清石灰水

B.分别配成溶液,再加入CaCl2溶液

C.分别加热,再检验是否有使澄清石灰水变浑浊的气体产生

D.分别取固体样品,滴加同浓度盐酸,观察产生气泡的快慢

解析:A项,Na2CO3和NaHCO3均与Ca(OH)2反应生成CaCO3沉淀,无法鉴别,符合题意;B项,Na2CO3可以和CaCl2反应生成CaCO3沉淀,NaHCO3与CaCl2不反应,不符合题意;C项,NaHCO3受热分解生成能使澄清石灰水变浑浊的CO2,不符合题意;D项,Na2CO3与盐酸反应较慢,产生气泡较慢,不符合题意。

答案:A

[典型例题2]某白色粉末由两种物质组成,为鉴别其成分进行如下实验:

①取少量样品加入足量水仍有部分固体未溶解;再加入足量稀盐酸,有气泡产生,固体全部溶解。②取少量样品加入足量稀硫酸有气泡产生,振荡后仍有固体存在。

该白色粉末可能为(　　)

A.NaHCO3、Mg(OH)2 B.AgCl、NaHCO3

C.Na2CO3、BaCO3 D.Na2CO3、CuSO4

解析:A项,NaHCO3、Mg(OH)2中加入足量稀硫酸有气泡产生,生成硫酸钠、硫酸镁、二氧化碳和水,最终无固体存在,错误;B项,AgCl不溶于酸,固体不能全部溶解,错误;C项,碳酸钠和碳酸钡加入水,碳酸钡不溶于水使部分固体不溶解,加入稀盐酸,碳酸钡与盐酸反应生成氯化钡、二氧化碳和水,固体全部溶解,再将样品加入足量稀硫酸,稀硫酸和碳酸钡反应生成硫酸钡沉淀、二氧化碳和水,正确;D项,Na2CO3、CuSO4中加入足量稀硫酸,振荡后无固体存在,错误。

答案:C

结论:不同的滴加顺序产生不同的现象,这也是不用其他试剂就可鉴别Na2CO3溶液和盐酸的原理。

[跟踪训练1] 有两试管分别装有Na2CO3和NaHCO3稀溶液,对下列操作判断正确的是(　C　)

解析:A项中发生的反应分别为Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3↓+2NaOH,

2NaHCO3+Ca(OH)2CaCO3↓+Na2CO3+2H2O,两者均产生白色沉淀;B项加入等浓度的稀盐酸时,NaHCO3溶液反应更剧烈;C项Na2CO3与CaCl2溶液发生反应Na2CO3+CaCl2CaCO3↓+2NaCl,产生白色沉淀,NaHCO3稀溶液与少量CaCl2溶液不反应;D项逐滴加入等浓度盐酸时,NaHCO3立即产生气泡,Na2CO3开始无气泡产生,过一会儿才产生气泡。

[跟踪训练2] 下列各组内的两种物质发生反应时,其产物不随反应物用量比的改变而发生变化的是(　D　)

A.CO2和澄清石灰水 B.NaOH溶液和CO2

C.Na2CO3溶液和盐酸 D.NaHCO3溶液和盐酸

解析:A项,CO2不足量,生成CaCO3,CO2过量,生成Ca(HCO3)2;B项,CO2不足,生成Na2CO3,CO2过量,生成NaHCO3;C项,盐酸不足,生成NaHCO3和NaCl,盐酸足量,生成NaCl、H2O和CO2。

二、碳酸钠、碳酸氢钠的转化与除杂

1.Na2CO3与NaHCO3的除杂

(1)除杂原则

①不影响主要物质;

②不引入新杂质;

③除杂剂易除去。

(2)常用方法

2.相互转化

Na2CO3NaHCO3

[典型例题3]要除去碳酸氢钠溶液中混有的少量碳酸钠,最好采用(　　)

A.加入过量的澄清石灰水

B.通入足量的CO2气体

C.将溶液加热蒸干并灼烧

D.加入适量的氢氧化钠溶液

解析:澄清石灰水和碳酸钠、碳酸氢钠均发生反应,生成碳酸钙沉淀,故A错误;可以通入二氧化碳使碳酸钠转化为碳酸氢钠而除去,反应的化学方程式为Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3,并且二氧化碳和碳酸氢钠之间不会发生反应,故B正确;将溶液加热蒸干并灼烧,可使碳酸氢钠分解生成碳酸钠,故C错误;氢氧化钠和碳酸氢钠反应生成碳酸钠和水,但是和碳酸钠之间不会反应,故D错误。

答案:B

[典型例题4]下列是某兴趣小组根据课本实验设计的一个能说明碳酸钠与碳酸氢钠热稳定性的改进实验。请观察如图实验装置并分析实验原理,判断下列说法不正确的是(　　)

A.甲为纯碱,乙为小苏打

B.加热不久就能看到丙烧杯的澄清石灰水变浑浊

C.整个实验过程中可以看到丁烧杯的澄清石灰水逐渐变浑浊

D.要证明物质受热能产生水,可在两支试管内塞上沾有无水硫酸铜粉末的棉花球

解析:用酒精灯加热时,甲管温度高,乙管温度低,NaHCO3受热易分解,Na2CO3受热不易分解,故将Na2CO3放在甲管中,温度高却未分解,NaHCO3放在乙管中,温度低却分解,证明Na2CO3热稳定性强于NaHCO3。NaHCO3受热分解产生CO2,可使澄清石灰水变浑浊。甲为纯碱(Na2CO3),乙为小苏打(NaHCO3),故A、B正确;Na2CO3不会分解产生CO2,故不能使丁中澄清石灰水变浑浊,故C不正确;NaHCO3分解产生的水可以使无水硫酸铜变蓝色,故D正确。

答案:C

[跟踪训练3] 为除去括号内的杂质,所选用的试剂或方法不正确的是(　D　)

A.Na2CO3溶液(NaHCO3),选用适量的NaOH溶液

B.NaHCO3溶液(Na2CO3),应通入过量的CO2气体

C.Na2O2粉末(Na2O),将混合物在氧气中加热

D.Na2CO3溶液(Na2SO4),加入适量Ba(OH)2溶液,过滤

解析:D项中,Ba(OH)2+Na2SO4BaSO4↓+2NaOH,Na2CO3+Ba(OH)2BaCO3↓+2NaOH,消耗了Na2CO3,而且还增加了新的杂质NaOH。

[跟踪训练4] 某化学课外小组欲制取纯净的Na2CO3溶液并讨论实验过程中的相关问题。可供选择的试剂有:

A.大理石 B.盐酸

C.氢氧化钠溶液 D.澄清石灰水

三名同学设计的制备实验方案的反应流程分别如下:

甲:NaOH溶液Na2CO3溶液

乙:NaOH溶液NaHCO3溶液Na2CO3固体Na2CO3溶液

丙:NaOH溶液NaHCO3溶液Na2CO3溶液

请回答下列问题:

(1)三个方案中最合理的是　　　　,请指出另外两个方案的主要缺点:　                                            　。 

(2)假设反应③所得的NaHCO3溶液中含有Na2CO3,现要用A～D四种试剂证明Na2CO3的存在,你所选择的试剂有　　　　　　　　　。 

解析:(1)NaOH与CO2反应时两者量不同,产物不同,2OH-+CO2C+H2O,OH-+CO2HC,甲不能控制通入CO2的物质的量,也就不能控制产物为纯净的Na2CO3。乙的操作程序复杂。丙应将NaOH溶液分成两等份,一份通入足量CO2,加热赶出其中溶解的CO2,再将另一份NaOH溶液与NaHCO3溶液混合即可得到纯净的Na2CO3溶液。(2)检验NaHCO3溶液中含有Na2CO3,应向溶液中加入BaCl2或CaCl2,所以应选盐酸和澄清石灰水,两者生成CaCl2再检验。

答案:(1)丙　甲方案由于难以控制CO2的量,故很难得到纯净的Na2CO3;乙方案原料利用率低,程序复杂　(2)BD

三、纯碱的生产与侯氏制碱法

1.氨碱法(索尔维法)

比利时工业化学家索尔维以食盐、石灰石和氨为原料制得碳酸钠和氯化钙,1867年这种方法被正式命名为索尔维法。

(1)制取原理与步骤

①在饱和食盐水中先通入氨气,再通入二氧化碳,析出碳酸氢钠:

NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3↓+NH4Cl。

②过滤、洗涤、煅烧碳酸氢钠晶体,得到纯碱产品:2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O,反应产生的二氧化碳循环使用。

③氯化铵滤液与石灰乳混合加热:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+

2H2O,反应产生的氨气循环使用。

(2)评价

优点:原料(食盐和石灰石)便宜易得;产品纯碱的纯度高;副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用;制造步骤简单,适合于大规模生产。

缺点:首先是原料食盐的利用率低,其次是产生大量的废渣氯化钙。

2.侯氏制碱法

我国化学工程专家侯德榜发明创建了联合制碱法,即将氨碱法(索尔维法)和合成氨法两种工艺联合起来,同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。

(1)制取原料:食盐、氨和二氧化碳,二氧化碳为合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。

(2)步骤:低温下先向饱和食盐水中通入氨气,再通入二氧化碳可析出碳酸氢钠,再加入细盐末,因氯离子存在及低温条件使氯化铵溶解度突然降低,而食盐的溶解度变化不大,所以氯化铵析出而食盐不析出;将氨通入饱和食盐水而成饱和氨盐水后通二氧化碳,结果相继析出NaHCO3和NH4Cl,该法生产的纯碱质量优良,纯白如雪。

[典型例题5] “NaCl+CO2+NH3+H2ONaHCO3↓+NH4Cl”是著名的“侯氏制碱法”的重要反应。下面是4位同学对该反应涉及的有关知识发表的部分见解。其中不正确的是(　　)

解析:侯氏制碱法的实质就是利用NaHCO3溶解度比其他物质小的原理,A说法正确;纯碱是Na2CO3的俗名,而NaHCO3的俗名是小苏打,B说法正确;析出晶体后的溶液一定为该物质的饱和溶液,C说法错误;NH4Cl是一种可用作氮肥的副产品,D说法正确。

答案:C

[典型例题6]侯氏制碱法的步骤如图:

试回答下列问题:

(1)若上述的悬浊液是碳酸氢钠和氯化铵的混合液,则Ⅰ和Ⅱ的总反应化学方程式为                                     　; 

由这一反应可知氯化钠比碳酸氢钠的溶解度　               。 

(2)Ⅲ的操作叫　　　　。 

(3)Ⅳ的操作叫　　　　。 

解析:(1)从生成物是NaHCO3和NH4Cl两种物质不难写出Ⅰ、Ⅱ的总反应化学方程式:NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3↓+NH4Cl。显然溶解度:NaCl>NaHCO3,所以在NaCl的饱和溶液中才会析出NaHCO3。(2)把不溶晶体与液体分离的方法称为过滤。(3)Ⅳ的操作是对NaHCO3晶体进行加热,使其分解,同时使挥发性物质气化而除去,该操作为灼烧。

答案:(1)NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3↓+NH4Cl　大　(2)过滤　(3)

灼烧

[跟踪训练5] 如图是模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3的部分装置。下列操作正确的是(　C　)

已知:NH3极易溶于水。

A.a通入CO2,然后b通入NH3,c中放碱石灰

B.b通入NH3,然后a通入CO2,c中放碱石灰

C.a通入NH3,然后b通入CO2,c中放蘸稀硫酸的脱脂棉

D.b通入CO2,然后a通入NH3,c中放蘸稀硫酸的脱脂棉

解析:侯氏制碱法的原理是向饱和的NaCl溶液中先通入NH3,然后通入CO2,利用生成的碳酸氢钠溶解度小而制得NaHCO3。由于NH3在水中的溶解度大,所以先通NH3,但为了防止倒吸,所以a通入NH3,然后b通入CO2,考虑NH3的尾气处理,所以选择c中放蘸稀硫酸的脱脂棉,故C选项正确。

[跟踪训练6] 如图是侯氏制碱法在实验室进行模拟实验的生产流程示意图,则下列叙述正确的是(　C　)

饱和食盐水A和食盐饱和溶液悬浊液晶体纯碱

A.A气体是CO2,B气体是NH3

B.第Ⅲ步得到的晶体是Na2CO3·10H2O

C.侯氏制碱法的工艺过程中应用了物质溶解度的差异

D.第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶

解析:侯氏制碱法中应先在饱和食盐水中通入NH3再通入CO2。因为CO2在饱和食盐水中的溶解度很小,先通入NH3使食盐水显碱性,能够吸收大量CO2气体,产生高浓度的HC,才能析出NaHCO3晶体;第Ⅳ步操作是将晶体NaHCO3直接加热分解得到Na2CO3。

1.把Na2CO3和NaHCO3的混合物27.4 g加热到质量不再变化时,得残留固体21.2 g。求原混合物中NaHCO3和Na2CO3的质量之比为(　B　)

A.53∶84 B.84∶53 C.1∶1 D.42∶53

解析:设NaHCO3的质量为x,则根据方程式可知

2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O　Δm

168 g                     62 g

x                       (27.4-21.2)g

                       =6.2 g

x=168 g×=16.8 g,

混合物中碳酸钠的质量是27.4 g-16.8 g=10.6 g,所以原混合物中NaHCO3与Na2CO3的质量之比为16.8∶10.6=84∶53。

2.下列有关Na2CO3和NaHCO3性质的说法中,正确的是(　B　)

A.热稳定性:Na2CO3<NaHCO3

B.Na2CO3粉末中混有NaHCO3时可用加热的方法除去

C.用氢氧化钙溶液鉴别Na2CO3和NaHCO3两种溶液

D.Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分别加入CaCl2溶液,都产生白色沉淀

解析:热稳定性:Na2CO3>NaHCO3,A项错误;NaHCO3受热分解,反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑,可用加热的方法除去Na2CO3粉末中混有的NaHCO3,B项正确;Na2CO3溶液、NaHCO3溶液中加入Ca(OH)2溶液都能产生白色沉淀,不能用Ca(OH)2溶液鉴别Na2CO3和NaHCO3两种溶液,C项错误;Na2CO3溶液中加入CaCl2溶液会产生白色CaCO3沉淀,NaHCO3溶液中加入CaCl2溶液无明显现象,D项错误。

3.某校化学课外小组为了鉴别碳酸钠和碳酸氢钠两种白色固体,用不同的方法做了以下实验,如图Ⅰ～Ⅳ所示。

(1)只根据图Ⅰ、Ⅱ所示实验,能够达到实验目的的是　　　　(填装置序号)。 

(2)图Ⅲ、Ⅳ所示实验均能鉴别这两种物质,其反应的化学方程式为 

                                                    　。 

与实验Ⅲ相比,实验Ⅳ的优点是　　　　　　(填字母)。 

A.Ⅳ比Ⅲ复杂

B.Ⅳ比Ⅲ安全

C.Ⅳ比Ⅲ操作简便

D.Ⅳ可以做到一套装置同时进行两个对比实验,而Ⅲ不能

(3)若用实验装置Ⅳ验证碳酸钠和碳酸氢钠的稳定性,则试管B中装入的固体最好是　　　　　　。 

(4)将碳酸氢钠溶液与澄清石灰水混合并充分反应。

①当澄清石灰水过量时,其离子方程式是            　。 

②当NaHCO3过量时,其离子方程式是                　。 

解析:(1)Ⅰ装置反应现象相同;Ⅱ装置,向稀盐酸中分别加入等质量的Na2CO3、NaHCO3,NaHCO3与稀盐酸反应快且产生的CO2多,所以气球大的为NaHCO3。因此能够达到实验目的是Ⅱ。(2)碳酸氢钠在加热条件下能分解生成碳酸钠、水和二氧化碳,发生反应为2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑,生成的二氧化碳与澄清石灰水反应生成碳酸钙,反应的方程式为CO2+Ca(OH)2CaCO3↓+H2O。Ⅳ不仅能鉴别碳酸钠和碳酸氢钠,同时又能验证碳酸钠和碳酸氢钠的稳定性,Ⅳ可以做到一套装置同时进行两个对比实验,而Ⅲ不能。(3)Na2CO3直接加热不产生气体,而NaHCO3不直接加热就能产生气体,更能说明NaHCO3不稳定,所以试管B中装入的固体最好是NaHCO3。(4)NaHCO3与Ca(OH)2 发生复分解反应。①当澄清石灰水过量时,离子方程式为HC+OH-+Ca2+

CaCO3↓+H2O。②当NaHCO3过量时,离子方程式为2HC+2OH-+Ca2+CaCO3↓+2H2O+C。

答案:(1)Ⅱ　(2)2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑、CO2+Ca(OH)2CaCO3↓+H2O　D

(3)碳酸氢钠

(4)①HC+OH-+Ca2+CaCO3↓+H2O

②2HC+2OH-+Ca2+CaCO3↓+2H2O+C

4.纯碱是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、造纸、纺织和洗涤剂的生产。

(1)起初,人们从盐碱地和盐湖中获得纯碱,但远远不能满足工业发展的需要,纯碱的化学式为　。 

(2)1791年,“路布兰制碱法”取得专利。该方法以硫酸、氯化钠、木炭、白垩石(主要成分为碳酸钙)为原料,但在20世纪20年代被淘汰,因为生产过程中释放出一种无色、有刺激性气味的气体,其分子结构示意图为,该气体遇空气中的水蒸气易形成酸雾,腐蚀金属设备,该酸雾腐蚀金属铁的化学方程式为　。 

(3)1861年,“索尔维制碱法”问世,该方法是在用氯化钠溶液吸收两种工业废气时意外发现的,反应后生成碳酸氢钠和氯化铵(NH4Cl),再加热碳酸氢钠即可制得纯碱,氯化钠溶液吸收的两种气体为　　　　(填字母)。 

A.Cl2 B.NH3 C.SO2 D.CO2

(4)“侯氏制碱法”由我国化学工程专家侯德榜先生于1943年创立,是“索尔维制碱法”的改进,大大提高了原料的利用率,至今仍为全世界广泛采用。

用如图所示装置可以模拟“加热碳酸氢钠制得纯碱”的过程。

当观察到B中出现浑浊时,停止加热,将A试管冷却至室温,向其中加入稀盐酸,充分反应后测得溶液的pH=5,则该溶液中含有的溶质为　　　　　　　　。 

解析:(1)纯碱的化学式为Na2CO3。(2)根据浓盐酸有挥发性及示意图,生产过程中释放出一种无色、有刺激性气味的气体,由两种元素组成,所以该气体是HCl;盐酸与铁反应的化学方程式:Fe+2HClFeCl2+

H2↑。(3)氯化钠溶液吸收的两种气体为NH3和CO2,NH3溶于水生成氨水,显碱性,易吸收CO2,形成碳酸氢钠和氯化铵。(4)碳酸氢钠受热分解,生成碳酸钠、水和二氧化碳,稀盐酸与碳酸钠反应生成氯化钠、水和二氧化碳,且溶液的pH=5,显酸性,所以该溶液中含有的溶质是HCl和NaCl。

答案:(1)Na2CO3

(2)Fe+2HClFeCl2+H2↑

(3)BD

(4)HCl和NaCl