把二氧化碳通入饱和石灰水溶液实验中的问题

1. 问题的提出

一般教科书上断言，把 CO2 持续通入饱和石灰水溶液的现象是：开始通入 CO2，即有 CaCO3 沉淀生成使溶液变浑浊，兹后浑浊度加重，而后又逐渐变成澄清液。其反应式为

CO2＋Ca(OH)2→CaCO3＋H2O

CaCO3＋CO2＋H2O→Ca(HCO3)2

如果上述实验现象属实，则可由饱和石灰水所含 Ca(OH)2 量知生成 CaCO3 量及 Ca(HCO3)2 的量。由反应式知 Ca(OH)2、CaCO3 和 Ca(HCO3)2 的摩尔是相同的。由手册中查得：293KCa(OH)2 溶解度为 0.165g，则 Ca(OH)2 浓度(mol/l)(因饱和石灰水是稀溶液，可设其密度为 1.00g/ml)为

0.165× 1000 ÷74 = 0.022mol / l

100

1 升饱和 Ca(OH)2 将与 CO2 生成 0.022mol CaCO3 或 0.022molCa(HCO3)2。CaCO3 的摩尔质量为 100g/mol，则 CaCO3 的再次溶解量为 2.2g/l 或 0.22g/0.1升～0.22g/100g 水。

由手册上查得在 101325Pa CO 压力①下 CaCO 的溶解度见下表。这些数据

均明显小于 0.22g/100g H2O。如果深信手册上

据(虽各种手册上的数据略有不同)，就只能对上面叙述提出疑问。为此再进行下列实验。

实验 1 把 6ml/l HCl 和块状 CaCO3 分别置于气体发生器中，使生成的CO2 经过水洗(用一个洗气瓶就够了)后导入饱和 Ca(OH)2 溶液。实验现象是： 溶液出现混浊，混浊度加浓，而后混浊度减轻，但(无论如何)得不到澄清液。

实际现象和书上记载的并不相同，而实际现象与估算结果相符。在实验时，用水洗 CO2 是为了除去其中的 HCl，这样 CaCO3 与 CO2 作用不会受 HCl 影响。如果是生成的 CO2 未经水洗即导入饱和 Ca(OH)2，即有明显量 HCl 参与Ca(OH)2 和 CO2 的反应，部分 CaCO3 的溶解是和 HCl 作用之故。

Ca(OH)2＋2H+→Ca2+＋2H2O

CaCO3＋2H+→Ca2+＋CO2↑＋H2O

顺便提及，有人根据 CO2 和 Ca(OH)2 的反应，自然而然认为在把 SO2 气体导入饱和 Ca(OH)2 溶液时，也将出现：(首先是)清液转为浊液，浊液又变清液。然而实验事实是：不容易看到形成浊液的过程。这是因为：CaSO3 仅是微溶物(Ksp＝1.0×10-4，而 CaCO3 的 Ksp 为 2.5×10-9)，H2SO3 的酸性比 H2CO3 强，以及 SO2 的水溶度(可达～1mol/l)明显大于 H2CO3(约 0.03—0.04mol/l)

① 101325Pa 即 1atm（大气压）。

之故。

1. 用化学方法制备的气体中可能含有杂质

不经水洗 CO2 中所含明显量的 HCl，可用湿 pH 试纸检试其 pH 值，然后用同法检试经水洗过的 CO2 的 pH 值。其结果是：前者的 pH 值明显小于后者。这个事实表明，必须注意用化学方法制备的气体中可能含有杂质及除去杂质的措施。如 Zn 和 H2SO4 生成的 H2 中含有 H2S 和 AsH3(是 Zn 中含有 As 所致)， 可使之经过 KMnO4 溶液而被洗去；Cu 和中等浓度HNO3 作用制得NO 中的NO2(沸点：294.4K)可通过冷却而被除去。总之，为了制取纯净的气体必须经过除杂过程。现以制取纯 NO 为例。

实验 2 把 50％H2SO4 慢加入 KNO2(4mol/l)和 KI(1mol/l)溶液式中，反

应式为

2HNO2＋2H+＋2I-→2NO↑＋I2＋2H2O

使逸出的气体依次通过 90％H2SO4(除 H2O)，50％KOH(除 NO2)，冷却(－75℃) 及通过 P2O3。若操作正常，所得 NO 中只含≤0.0008％(mol)杂质。

1. 除去气体中杂质的方法

用水洗去水溶性杂质 H2S、CO2 中的水溶性杂质如 HCl、NH3 可用水洗去，只造成 H2S、CO2 在水中部分溶解。

用浓 H2 SO4 脱除酸性气体中的 H2 O 如果气体中含水量较多，则用～90

％H2SO4 作脱水剂，一般不用浓 H2SO4，因后者遇水发热量较大。若制取气体时的一种反应物是浓 H2SO4(如浓 H2SO4 和 HCOOH 反应生成 CO)，则产物中只含极少量的 H2O；有时浓 H2SO4 还被用来除 NH3。

用 NaOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2 脱除酸性杂质 用固态 NaOH 脱除 CO2，反应需少量 H2O 为“催化剂”(虽然反应也生成 H2O，2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O)， 所以要把脱 CO2 装置放在脱 H2O 装置之前。Ca(OH)2、Ba(OH)2 溶液常被用来脱除气体中的 CO2、SO2，因 Ba(OH)2 的溶解度较大及碱性较强［相对于 Ca(OH)2 而言］，所以用饱和 Ba(OH)2 溶液吸收 CO2、SO2 的效率更高(当然，钡化合物的价格明显高于相应钙化合物)。此外，碱液还被用来脱除 Cl2、Br2。

各种杂质均有相应脱除的方法，这些方法不外乎是利用了酸碱性、溶解性、氧化还原性、脱水、冷却，不赘述。

1. 再讨论 CO2 和饱和 Ca(OH)2 的反应

可能有人会提出：我们的实验，最终确实得到澄清液。做法是：从储存饱和 Ca(OH)2 溶液大瓶中取出溶液，通入经过水洗的 CO2，最终得澄清液，这又是为什么？把饱和 Ca(OH)2 溶液贮存于大瓶中，在备用过程中其表面常形成一层硬盖——是 CO2 和 Ca(OH)2 作用生成的 CaCO3 盖，消耗了部分 Ca(OH)2， 表明已经是不饱和溶液了。放置时间越长，贮存过程中取用次数过多，溶液中 Ca(OH)2 浓度越稀(甚至出现石灰水失效的情况)，所以出现了变得澄清的现象。从另一个角度看，用 4—5 倍水稀释饱和石灰水，在通 CO2 后可得澄清液。

最后还要提请读者注意 2 个问题。

碳酸钙有沉淀碳酸钙、方解石及霰石(文石)3 种，它们的水溶度各不相

同。此外，它们在其他盐溶液中的溶解度也不同于它们在纯水中的溶解度。