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对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析

2018-02-20 10:03阅读：

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对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析
作为二氧化碳气体的一种简易检验方法，在中学化学教材中常用的试剂是澄清的饱和石灰水。期待出现的反应现象是，原本澄清的石灰水出现浑浊。
有的教师用实验“证实”了这个方法后还要补充说，如果不断地通入二氧化碳，这个溶液最终还能变澄清。
有的教师从所用的实验装置指出，浑浊液之所以会“变清”，是由于二氧化碳中混有了少量HCl气体（制备时用到了稀盐酸）的缘故。
有的学者则据碳酸钙在二氧化碳溶液中的溶解度指出，往浑浊后的石灰水中继续通入二氧化碳，是不能使其变澄清的。
其实，这个体系还是比较简单的，不难进行一个具体的计算，从理论上来判断反应的各种可能性。
一、碳酸钙沉淀的生成
往澄清的饱和石灰水通入二氧化碳气体，能出现碳酸钙沉淀，而导致溶液浑浊。这是没有什么异议的。
之所以还要进行这个计算是因为，从根据化学方程式计算的这个角度来说，它可以归于一种不那么常见的计算类型。因为，这是一个与固、液、气，三相都有关的反应，其平衡可以用复合平衡常数来描述。这个平衡常数与一些常用化学热力学数据间的关系，在某些情况下也比较复杂、而难于被顺利地写出。
在石灰水中通入二氧化碳气体，而生成碳酸钙沉淀的反应为，Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2
O。离子方程式为，Ca2++2OH-+CO2=CaCO3+H2O。
这个反应实际上是，一个中和反应及一个沉淀反应，两个反应的简单加和。
它常见的浓度平衡常数表达式为， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析……（1）
还可以写为混合平衡常数的形式。其平衡常数表达式为，
对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析……（2）
其中的Ka1为H2CO3的第一级解离常数，Ka2为H2CO3的第二级解离常数，S为与其分压有关的用物质的量浓度表示的CO2溶解度，Ksp为碳酸钙的溶度积，Kw为水的离子积。
可查得，Ka1=4.5×10-7，Ka2=4.7×10-11，1.0atm时的S=0.033 mol·L-1，Ksp=5×10-9，Kw=1.0×10-14。
这样，这两个平衡常数的数值分别为，
对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析，
对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析。
可见，这是一个进行的相当完全的反应。
对饱和的Ca(OH)2溶液（其溶解度为0.12g/100gH2O，相当于0.016 mol·L-1），当与其平衡的CO2分压达1.0atm时（此时溶解度为0.033 mol·L-1），设体系中的Ca2+离子浓度为x mol·L-1。则可计算如下：
Ca2+ +2OH- +CO2 =CaCO3+H2O。
起始浓度 0.016 0.032
平衡浓度 x 2x 0.033
用式（1）有， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析。
可计算出，Ca2+离子浓度x=5.6×10-7 mol·L-1。
当然，用式（2），则写为， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析
计算出的还是，Ca2+离子浓度x=5.6×10-7 mol·L-1。
由于这个反应进行的趋势是如此之大。不难推断出，“用嘴向该饱和的石灰水中吹气”，或是“将其在空气中放置”，这两种情况下也都会导致溶液的浑浊。
在后两种情况对应的计算中，只要将式（2）中CO2的平衡分压改为0.040 atm（人体呼出气体中二氧化碳的分压）：及0.00038 atm（空气中二氧化碳的分压），就可以进行相应的计算。
对人体呼出的气体，有 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析。
可计算出，平衡时Ca2+离子浓度x=1.6×10-6mol·L-1。反应也是相当完全的。
对空气，有 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析。
可计算出，Ca2+离子浓度x=7.8×10-6mol·L-1。即便剩余的Ca2+离子浓度比上例要大了一些，但反应仍可以被看作是进行完全了（小于10-5mol·L-1）。当然这个反应的时间要很长。
二、碳酸钙沉淀的再溶解
往澄清的饱和石灰水通入二氧化碳气体，出现碳酸钙沉淀的浑浊后。继续通二氧化碳气体，碳酸钙是否会溶解呢？
涉及到的反应是， CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3- 。
其浓度平衡常数为， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析……（3）
其混合平衡常数为， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析……（4）
当CO2的平衡分压为1.0 atm时，用式（4）可计算为， 对澄清石灰水与二氧化碳气体反应过程的理论分析

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