Question

7．天然堿的組成可以用aNa₂CO₃•bNaHCO₃•cH₂O（a、b、c為整數(shù)）表示．現(xiàn)有A、B兩種不同的天然堿樣品，分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)以確定其化學(xué)式．
（1）將質(zhì)量為31.0g的天然堿A于300℃加熱分解至完全（300℃時(shí)Na₂CO₃不分解），產(chǎn)生2.24L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）CO₂和5.4g水．天然堿A的化學(xué)式中：a=1，b=2，c=2，
（2）已知Na₂CO₃與稀鹽酸的反應(yīng)分下列兩步進(jìn)行：Na₂CO₃+HCl→NaCl+NaHCO₃，NaHCO₃+HCl→NaCl+CO₂↑+H₂O，將質(zhì)量為12.45g的天然堿B溶于水，逐滴滴加某濃度的稀鹽酸，產(chǎn)生氣體的體積與加入鹽酸的體積（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的關(guān)系如表所示：

鹽酸體積（mL）	20	40	60	80
產(chǎn)生氣體體積（mL）	0	560	1680	2520

①由表中數(shù)據(jù)可推測加入50mL鹽酸時(shí)，產(chǎn)生氣體的體積為1120mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況）；鹽酸的濃度為2.5mol•L^-1；天然堿B的化學(xué)式為：2Na₂CO₃•NaHCO₃•2H₂O．
②若取W g的天然堿B加入到30mL該濃度的鹽酸中，則請用W表示產(chǎn)生產(chǎn)生氣體體積V（標(biāo)準(zhǔn)狀況，單位：mL）

Answer 1

分析 （1）加熱分解，失去結(jié)晶水，同時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，加熱后殘留固體為碳酸鈉，根據(jù)生成的二氧化碳計(jì)算NaHCO₃的物質(zhì)的量、生成Na₂CO₃、H₂O的物質(zhì)的量，再結(jié)合生成水的總質(zhì)量計(jì)算結(jié)晶水的物質(zhì)的量，根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算加熱后殘留固體碳酸鈉的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算晶體中碳酸鈉的質(zhì)量，據(jù)此確定a、b、c；
（2）①加入80mL鹽酸生成氣體體積為2520mL，大于加入60mL鹽酸時(shí)生成的氣體體積，故加入40mL、60mL鹽酸時(shí)，鹽酸不足，完全反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，加入50mL鹽酸產(chǎn)生的氣體體積為加入40mL鹽酸產(chǎn)生的氣體及在40mL基礎(chǔ)上再加入10mL鹽酸產(chǎn)生的氣體體積之和，結(jié)合40mL～60mL之間消耗鹽酸體積與生成氣體體積的定比關(guān)系計(jì)算；
40mL～60mL之間消耗20mL鹽酸，生成氣體1680mL-560mL=1120mL，發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，根據(jù)鹽酸和二氧化碳之間的關(guān)系式計(jì)算鹽酸濃度；
發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，生成560mL二氧化碳消耗鹽酸的體積=$\frac{560mL}{1120mL}$×20mL=10mL，故加入前30mL鹽酸，發(fā)生反應(yīng)Na₂CO₃+HCl=NaCl+NaHCO₃，30mL～75mL發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，由兩階段消耗的鹽酸體積，可計(jì)算堿B中Na₂CO₃、NaHCO₃的物質(zhì)的量之比，再根據(jù)生成二氧化碳計(jì)算各自物質(zhì)的量，根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算結(jié)晶水的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算結(jié)晶水的物質(zhì)的量，確定三者比例關(guān)系，進(jìn)而確定堿B的化學(xué)式；
②30mL鹽酸中n（HCl）=0.03mol×3mol/L=0.09mol，設(shè)堿B中Na₂CO₃的物質(zhì)的量n mol，則為NaHCO₃為0.5n mol，則：
Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl+H₂O、NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，
n mol nmol n mol 1.5n mol 1.5n mol 1.5n mol
當(dāng)n≥n（HCl），沒有氣體生成；
當(dāng)n＜0.09且n+1.5n＞0.09時(shí)，碳酸氫鈉不能完全反應(yīng)，鹽酸先與碳酸鈉反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉，剩余的鹽酸再與碳酸氫鈉反應(yīng)生成二氧化碳；
當(dāng)n+1.5n＜0.09時(shí)，鹽酸過量，根據(jù)碳元素守恒，生成二氧化碳的物質(zhì)的量，據(jù)此討論解答．

解答 解：（1）加熱分解，失去結(jié)晶水，同時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，加熱后殘留固體為碳酸鈉，產(chǎn)生CO₂ 2.24L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則其物質(zhì)的量=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，生成水5.4g，水的物質(zhì)的量=$\frac{5.4g}{18g/mol}$=0.3mol，則：
2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃ +CO₂↑+H₂O
0.2mol          0.1mol       0.1mol       0.1mol
故31.0g的天然堿A中，n（NaHCO₃）=0.2mol，n（H₂O）=0.3mol-0.1mol=0.2mol，
故m（Na₂CO₃）=31g-0.2mol×84g/mol-0.2mol×18g/mol=10.6g，故n（Na₂CO₃）=$\frac{10.6g}{106g/mol}$=0.1mol，
則堿A中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）：n（H₂O）=0.1mol：0.2mol：0.2mol=1：2：2，
化學(xué)式為：Na₂CO₃•2NaHCO₃•2H₂O，即a=1、b=2、c=2，
故答案為：1；2；2；
（2）①加入80mL鹽酸生成氣體體積為2520mL，大于加入60mL鹽酸時(shí)生成的氣體體積，故加入40mL、60mL鹽酸時(shí)，鹽酸不足，完全反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，40mL～50mL之間消耗10mL鹽酸，生成氣體體積為（1680mL-560mL）×$\frac{（50-40）mL}{（60-40）mL}$=560mL，故加入50mL鹽酸產(chǎn)生的氣體體積為：560mL+560mL=1120mL；
40mL～60mL之間消耗20mL鹽酸，生成氣體1680mL-560mL=1120mL，發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，設(shè)鹽酸的難度為c，
NaHCO₃ +HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O
1                                       1
0.02cmol                     $\frac{1.12L}{22.4L/mol}$
1：1=0.02cmol：$\frac{1.12L}{22.4L/mol}$
c=2.5mol/L
發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，生成560mL二氧化碳消耗鹽酸的體積=$\frac{560mL}{1120mL}$×20mL=10mL，故加入前30mL鹽酸，發(fā)生反應(yīng)Na₂CO₃+HCl=NaCl+NaHCO₃，30mL～75mL發(fā)生反應(yīng)：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，
令堿B中Na₂CO₃、NaHCO₃的物質(zhì)的量為amol、bmol，則：
Na₂CO₃+HCl=NaCl+NaHCO₃，
amol       amol                  amol
   NaHCO₃ +HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，
（a+b）mol  （a+b）mol              （a+b）mol
故amol：（a+b）mol=30mL：（75mL-30mL），則a：b=2：1，由生成二氧化碳可知（a+b）mol=0.1125mol，解得a=0.075、b=0.0375，故堿B中結(jié)晶水的質(zhì)量=12.45g-0.0375mol×84g/mol-0.075mol×106g/mol=1.35g，結(jié)晶水的物質(zhì)的量=$\frac{1.35g}{18g/mol}$=0.075mol，
則堿B中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）：n（H₂O）=0.075mol：0.0375mol：0.075mol=2：1：2，
故堿B的化學(xué)式為：2Na₂CO₃•NaHCO₃•2H₂O，
故答案為：1120；2.5mol/L；2Na₂CO₃•NaHCO₃•2H₂O；
②30mL鹽酸中n（HCl）=0.03mol×2.5mol/L=0.075mol，設(shè)堿B中Na₂CO₃的物質(zhì)的量n mol，則為NaHCO₃為0.5n mol，
發(fā)生反應(yīng)：Na₂CO₃ +HCl=NaHCO₃+NaCl+H₂O、NaHCO₃ +HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，
                        n mol         nmol          n mol                               1.5n mol        1.5n mol                  1.5n mol
當(dāng)堿B中n（Na₂CO₃）≥n（HCl），即n（Na₂CO₃）≥0.075mol，沒有氣體生成，氣體體積V=0，天然堿B質(zhì)量W（g）滿足：$\frac{W}{332}$×2≥0.075，則W≥12.45，
當(dāng)n＜0.075且n+1.5n＞0.075時(shí)，碳酸氫鈉不能完全反應(yīng)，鹽酸先與碳酸鈉反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉，剩余的鹽酸再碳酸氫鈉反應(yīng)生成二氧化碳，即：$\frac{W}{332}$×2＜0.075且$\frac{W}{322}$×2×2.5＞0.075，整理得4.98＜W＜12.45，生成二氧化碳為（0.075-$\frac{W}{332}$×2）mol，其體積V=（0.075-$\frac{W}{332}$×2）mol×22400mL/mol=（1680-$\frac{44800W}{332}$）mL，
當(dāng)n+1.5n≤0.075時(shí)，碳酸氫鈉完全反應(yīng)，鹽酸過量或恰好反應(yīng)，即$\frac{W}{322}$×2×2.5≤0.075整理得W＜4.98，故應(yīng)0＜W≤4.98，根據(jù)碳元素守恒，生成二氧化碳的物質(zhì)的量=$\frac{W}{332}$mol×3，故二氧化碳體積V=$\frac{W}{332}$mol×3×22400mL/mol=$\frac{67200W}{332}$mL，
故答案為：W≥12.45g，V=0mL；4.98g＜W＜12.45g，V=（1680-$\frac{44800W}{332}$）mL；0＜W≤4.98g，V=$\frac{67200W}{332}$mL．

點(diǎn)評 本題考查混合物計(jì)算、根據(jù)方程式計(jì)算，題目過程復(fù)雜繁瑣，數(shù)據(jù)多，計(jì)算量大，包含字母型討論計(jì)算，碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)分兩步進(jìn)行，先找出完全反應(yīng)點(diǎn)，再根據(jù)完全反應(yīng)的點(diǎn)確定范圍，綜合考查學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力，題目難度較大，屬于易錯(cuò)題目．