Question

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

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

①由表中數據可推測加入50mL鹽酸時，產生氣體的體積為1120mL（標準狀況）；鹽酸的濃度為2.5mol•L^-1；天然堿B的化學式為：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表示產生產生氣體體積V（標準狀況，單位：mL）

Answer 1

分析 （1）加熱分解，失去結晶水，同時發(fā)生分解反應：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，加熱后殘留固體為碳酸鈉，根據生成的二氧化碳計算NaHCO₃的物質的量、生成Na₂CO₃、H₂O的物質的量，再結合生成水的總質量計算結晶水的物質的量，根據質量守恒計算加熱后殘留固體碳酸鈉的質量，進而計算晶體中碳酸鈉的質量，據此確定a、b、c；
（2）①加入80mL鹽酸生成氣體體積為2520mL，大于加入60mL鹽酸時生成的氣體體積，故加入40mL、60mL鹽酸時，鹽酸不足，完全反應，發(fā)生反應：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，加入50mL鹽酸產生的氣體體積為加入40mL鹽酸產生的氣體及在40mL基礎上再加入10mL鹽酸產生的氣體體積之和，結合40mL～60mL之間消耗鹽酸體積與生成氣體體積的定比關系計算；
40mL～60mL之間消耗20mL鹽酸，生成氣體1680mL-560mL=1120mL，發(fā)生反應：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，根據鹽酸和二氧化碳之間的關系式計算鹽酸濃度；
發(fā)生反應：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Na₂CO₃+HCl=NaCl+NaHCO₃，30mL～75mL發(fā)生反應：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，由兩階段消耗的鹽酸體積，可計算堿B中Na₂CO₃、NaHCO₃的物質的量之比，再根據生成二氧化碳計算各自物質的量，根據質量守恒計算結晶水的質量，進而計算結晶水的物質的量，確定三者比例關系，進而確定堿B的化學式；
②30mL鹽酸中n（HCl）=0.03mol×3mol/L=0.09mol，設堿B中Na₂CO₃的物質的量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n≥n（HCl），沒有氣體生成；
當n＜0.09且n+1.5n＞0.09時，碳酸氫鈉不能完全反應，鹽酸先與碳酸鈉反應轉化為碳酸氫鈉，剩余的鹽酸再與碳酸氫鈉反應生成二氧化碳；
當n+1.5n＜0.09時，鹽酸過量，根據碳元素守恒，生成二氧化碳的物質的量，據此討論解答．

解答 解：（1）加熱分解，失去結晶水，同時發(fā)生分解反應：2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，加熱后殘留固體為碳酸鈉，產生CO₂ 2.24L（標準狀況），則其物質的量=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，生成水5.4g，水的物質的量=$\frac{5.4g}{18g/mol}$=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鹽酸時生成的氣體體積，故加入40mL、60mL鹽酸時，鹽酸不足，完全反應，發(fā)生反應：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：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，設鹽酸的難度為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：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Na₂CO₃+HCl=NaCl+NaHCO₃，30mL～75mL發(fā)生反應：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，
令堿B中Na₂CO₃、NaHCO₃的物質的量為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中結晶水的質量=12.45g-0.0375mol×84g/mol-0.075mol×106g/mol=1.35g，結晶水的物質的量=$\frac{1.35g}{18g/mol}$=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，設堿B中Na₂CO₃的物質的量n mol，則為NaHCO₃為0.5n mol，
發(fā)生反應：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質量W（g）滿足：$\frac{W}{332}$×2≥0.075，則W≥12.45，
當n＜0.075且n+1.5n＞0.075時，碳酸氫鈉不能完全反應，鹽酸先與碳酸鈉反應轉化為碳酸氫鈉，剩余的鹽酸再碳酸氫鈉反應生成二氧化碳，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n+1.5n≤0.075時，碳酸氫鈉完全反應，鹽酸過量或恰好反應，即$\frac{W}{322}$×2×2.5≤0.075整理得W＜4.98，故應0＜W≤4.98，根據碳元素守恒，生成二氧化碳的物質的量=$\frac{W}{332}$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．

點評 本題考查混合物計算、根據方程式計算，題目過程復雜繁瑣，數據多，計算量大，包含字母型討論計算，碳酸鈉與鹽酸的反應分兩步進行，先找出完全反應點，再根據完全反應的點確定范圍，綜合考查學生的分析能力和計算能力，題目難度較大，屬于易錯題目．