利用平衡常數(shù)對(duì)次氯酸鈣與CO2反應(yīng)的產(chǎn)物的分析

利用平衡常數(shù)對(duì)次氯酸鈣與CO2反應(yīng)的產(chǎn)物的分析西南位育中學(xué)馬雄雄摘要：嘗試?yán)媒⒛Ｐ偷姆椒?，假設(shè)在濃度為0.1mol/L與0.01mol/L的次氯酸鈣溶液中，按照1:1或1:2的濃度通入二氧化碳?xì)怏w，使其充分反應(yīng)，并達(dá)到平衡狀態(tài)。通過(guò)平衡常數(shù)建立等式，利用元素守恒建立計(jì)算基礎(chǔ)，將平衡常數(shù)的值代入進(jìn)行理論計(jì)算，分析最終溶液中所含各種離子的濃度大小，確定最終產(chǎn)物的成分。在較高濃度時(shí)，主要產(chǎn)物是CaCO3沉淀，而較低濃度且CO2足量時(shí)，主要產(chǎn)物則是Ca(HCO3)2。關(guān)鍵字次氯酸鈣二氧化碳平衡常數(shù)產(chǎn)物分析1問(wèn)題背景對(duì)于次氯酸鈣與二氧化碳反應(yīng)的產(chǎn)物爭(zhēng)論已久，主要是圍繞生成物中是CaCO3還是Ca(HCO3)2，因此在高中化學(xué)的教學(xué)參考資料中有兩種方程式：（1）Ca(ClO)2+CO2+H2O→CaCO3↓+2HClO（2）Ca(ClO)2+2CO2+2H2O→Ca(HCO3)2+2HClO在《次氯酸鈣跟空氣中二氧化碳和水蒸氣反應(yīng)》與《證明Ca(ClO)2跟CO2和H2O反應(yīng)生成Ca(HCO3)2的實(shí)驗(yàn)》等文獻(xiàn)中，對(duì)于上述上述反應(yīng)的產(chǎn)物不僅包含有理論分析，同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明，其中的觀點(diǎn)認(rèn)為產(chǎn)物主要是Ca(HCO3)2。但是在次氯酸鈣與二氧化碳反應(yīng)中，生成物的種類復(fù)雜，同時(shí)且存在著多個(gè)平衡，需要對(duì)混合氣體進(jìn)行詳盡的成分分析、計(jì)算才能確定反應(yīng)最終的產(chǎn)物。因此本文嘗試在建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，在不同濃度的Ca(ClO)2中通入一定量的CO2時(shí)，通過(guò)平衡常數(shù)計(jì)算所得的最終產(chǎn)物。2模型建立在溶液中，Ca(ClO)2溶液中通入CO2后，充分反應(yīng)，溶液中含有的離子或分子，Ca2+、H2CO3、HCO3-、CO32－、H+、ClO-、HClO、OH-、以及可能存在的CaCO3沉淀。① Ki1＝4.3×10-7② Ki2＝5.6×10-11③ Ki＝3×10-8④ Kw＝1×10-14⑤ Ksp＝4.8×10-9（可能存在該平衡）當(dāng)充分反應(yīng)后，在溶液中各離子或分子的濃度假設(shè)分別為Ca2+為amol/L、H2CO3為bmol/L、HCO3-為cmol/L、CO32－為dmol/L、H+為emol/L、ClO-為fmol/L、HClO為gmol/L、OH-為xmol/L、CaCO3沉淀為hmol。利用各個(gè)平衡的平常常數(shù)，則可得到如下等式：碳酸的第一步電離：4.3×10-7，碳酸的第二步電離：5.6×10-11，次氯酸電離平衡：3×10-8，水的電離平衡：1×10-14 ，可能存在CaCO3的溶解平衡，即4.8×10-9，2.1模型一：在1L溶液中0.1mol/L的Ca(ClO)2溶液于0.1mol的CO2充分反應(yīng)根據(jù)不同守恒定律可以得到：由于碳元素守恒，則：b+c+d+h＝0.1 （1）由于鈣元素守恒，則：a+h＝0.1 （2）由于氯元素守恒，則：f+g＝0.2由于溶液電荷守恒，則：2a+e＝c+2d+f+x （a）通過(guò)上述計(jì)算，d的值在5.5×10-7mol/L到5.6×10-7mol/L之間，若取的d近似值5.6×10-7mol/L,，則e＝4.29×10-7mol/L，則通過(guò)計(jì)算得到：a＝8.57×10-3mol/L、b＝4.281×10-3mol/L、c＝4.29×10-3mol/L、d＝5.6×10-7mol/L、e＝4.29×10-7mol/L、f＝1.307×10-2mol/L、g＝0.187mol/L、h＝0.0914mol所以最終CaCO3沉淀為0.0914mol，即有91.4%的Ca2+以CaCO3形式存在。2.2模型二：在1L溶液中0.1mol/L的Ca(ClO)2溶液于0.2mol的CO2充分反應(yīng)通過(guò)上述計(jì)算，d的值在4.6×10-7mol/L左右，若取的d近似值4.6×10-7mol/L,，則e＝2.199×10-6mol/L，則通過(guò)計(jì)算得到：a＝0.0104mol/L、b＝0.092mol/L、c＝0.018mol/L、d＝4.6×10-7mol/L、e＝2.199×10-6mol/L、f＝0.0027mol/L、g＝0.197mol/L、h＝0.0896mol所以最終CaCO3沉淀為0.0896mol，即有89.6%的Ca2+以CaCO3形式存在。2.3模型三：在1L溶液中0.01mol/L的Ca(ClO)2溶液于0.01mol的CO2充分反應(yīng)通過(guò)上述計(jì)算，d的值在1.36×10-7mol/L到1.37×10-7mol/L之間，且更接近1.36×10-6mol/L，因此取的d近似值1.36×10-6mol/L,，則e＝1.147×10-7mol/L，則通過(guò)計(jì)算得到：a＝3.529×10-3mol/L、b＝7.432×10-4mol/L、c＝2.786×10-3mol/L、d＝1.36×10-6mol/L、e＝1.147×10-7mol/L、f＝4.147×10-3mol/L、g＝1.585×10-2mol/L、h＝6.471×10-3mol所以最終CaCO3沉淀為6.471×10-3mol，即有64.71%的Ca2+以CaCO3形式存在。2.4模型四：在1L溶液中0.01mol/L的Ca(ClO)2溶液于0.02mol的CO2充分反應(yīng)通過(guò)上述計(jì)算，d的值在1.07×10-7mol/L左右，取d＝1.07×10-7mol/L，則e＝3.950×10-7mol/L，通過(guò)計(jì)算得到：a＝4.486×10-3mol/L、b＝6.935×10-3mol/L、c＝7.548×10-3mol/L、d＝1.07×10-6mol/L、e＝3.950×10-7mol/L、f＝1.412×10-3mol/L、g＝1.859×10-2mol/L、h＝5.514×10-3mol所以最終CaCO3沉淀為5.514×10-3mol，即有55.14%的Ca2+以CaCO3形式存在。3結(jié)論分析通過(guò)上述的四個(gè)模型的分析，在0.1mol/L與0.01mol/L的次氯酸鈣溶液中分別按照1:1與1:2通入二氧化碳?xì)怏w，最終都有CaCO3生成。而在上述的四個(gè)模型中，Ca2+最終主要還是以CaCO3沉淀，所以CO2與Ca(ClO)2反應(yīng)中，生成物是CaCO3與HClO可以成立，并不會(huì)因?yàn)镠ClO的電離常數(shù)大于HCO3-電離常數(shù)而無(wú)法獲得CaCO3沉淀，在反應(yīng)時(shí)還應(yīng)該考慮到CaCO3的溶解平衡對(duì)反應(yīng)的影響。尤其在模型二中，當(dāng)0.1mol/L的Ca(ClO)2的溶液中通入0.2mol的CO2時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到的溶液中，有89.6%的Ca2+以CaCO3形式存在，且溶液中H2CO3的濃度為0.092mol/L，這濃度已經(jīng)超過(guò)了CO2在水中的溶解度（常壓下，1體積水可以溶解越1體積CO2，當(dāng)飽和時(shí)其濃度約為0.0446mol/L），所以在0.1mol/L的Ca(ClO)2的溶液中通入過(guò)量的CO2，所得的主要產(chǎn)物依然是CaCO3。通過(guò)上述的四個(gè)模型的計(jì)算，當(dāng)Ca(ClO)2濃度降低時(shí)，最終產(chǎn)物中CaCO3的比例會(huì)減少，而Ca(HCO3)2的含量增加；同時(shí)CO2濃度增加時(shí)，最終產(chǎn)物中CaCO3的比例依然會(huì)減少，所以在低濃度的Ca(ClO)2的溶液中，通入足量的CO2氣體，最終的主要產(chǎn)物會(huì)是Ca(HCO3)2。在實(shí)際生活中，漂白粉使用時(shí)其有效氯一般不超過(guò)500mg/L，濃度約為0.0028mol/L，遠(yuǎn)低于模型的0.01mol/L，所以在實(shí)際使用中降低Ca(ClO)2的濃度也是為了避免CaCO3的產(chǎn)生。同時(shí)常用的漂白劑中除了Ca(ClO)2還有過(guò)碳酸鈉，使用鈉鹽也是為了避免產(chǎn)生CaCO3沉淀。參考文獻(xiàn)[1]華彤文、陳景祖等.普通化學(xué)原理[M].第三版:北京大學(xué)出版社[2]王忠富.次氯酸鈣跟空氣中二氧化