版步步高《大一轮复习讲义》人教版第3章 第14讲 钠及其化合物的计算与实验探究.docx
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版步步高《大一轮复习讲义》人教版第3章第14讲钠及其化合物的计算与实验探究
第14讲 钠及其化合物的计算与实验探究
复习目标
1.多角度认识Na2O2与H2O、CO2的反应。
2.掌握Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应的原理与定量分析。
3.学会用实验的方法测定Na2CO3的质量分数。
考点一 Na2O2与H2O、CO2的反应规律与实验探究
1.Na2O2与CO2、H2O的反应规律
Na2O2与CO2、H2O(g)的混合气体反应,可看作Na2O2先与CO2反应,完毕后再与H2O(g)反应。
2.气体体积关系
若CO2和水蒸气的混合气体(或单一气体)通过足量Na2O2,气体体积的减少量等于原混合气体体积的
且等于生成氧气的体积,即ΔV=V(O2)=
V(混合)。
3.电子转移关系
当Na2O2与CO2、H2O反应时,物质的量关系为2Na2O2~O2~2e-,n(e-)=n(Na2O2)=2n(O2)。
4.固体质量关系
相当于固体(Na2O2)只吸收了CO2中的“CO”、H2O中的“H2”,可以看作发生相应的反应:
Na2O2+CO===Na2CO3、Na2O2+H2===2NaOH(实际上两反应不能发生),所以固体增加的质量Δm(CO2)=28g·mol-1×n(CO2),Δm(H2O)=2g·mol-1×n(H2O)。
题组一 Na2O2与H2O、CO2反应的定量分析
1.用单线桥分析Na2O2与水反应中电子转移的方向和数目:
___________________________。
(1)氧化剂和还原剂是____________________________,氧化产物是_____________________,
还原产物是_____________________________________________________________________。
(2)Na2O2与CO2反应时,生成0.1mol氧气时,转移的电子数________。
答案
(1)Na2O2 O2 NaOH
(2)0.2NA(或1.204×1023)
2.下列物质均为ag,将它们在氧气中完全燃烧的产物全部通入到足量的过氧化钠固体中,则过氧化钠固体增重为ag的是( )
①CO ②H2 ③CH4 ④HCHO ⑤CH3COOH ⑥HCOOH
A.①②⑤⑥B.②③④⑤
C.①②④⑤D.①②③⑤
答案 C
解析 H2、CO发生反应的化学方程式为2H2+O2
2H2O,2Na2O2+2H2O===4NaOH+O2↑;2CO+O2
2CO2,2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2,由反应方程式可知,过氧化钠增加的质量即为H2、CO的质量。
因此只要是CO或H2或它们的混合气体或化学式组成符合(CO)m·(H2)n,则过氧化钠固体增重质量等于原物质的质量,则①②符合,而④HCHO可以改写成CO·H2,⑤CH3COOH可以改写成(CO)2·(H2)2,⑥HCOOH可以改写成CO2·H2,故⑥不符合,①②④⑤符合,故选C。
3.将一定量的Na2O2和NaHCO3混合后,在密闭容器中加热充分反应,排出气体,冷却后有固体物质剩余,下列选项不正确的是( )
选项
剩余的固体物质
A
1
2
Na2CO3
B
1.5
2
Na2O2、Na2CO3
C
2
1
Na2O2、NaOH、Na2CO3
D
2
2
NaOH、Na2CO3
答案 B
解析 将Na2O2与NaHCO3的混合物加热,有关反应的化学方程式依次为2NaHCO3
Na2CO3+CO2↑+H2O、2CO2+2Na2O2===2Na2CO3+O2、2Na2O2+2H2O===4NaOH+O2↑。
当Na2O2与NaHCO3的物质的量之比为1∶2时,二者反应的总方程式为2Na2O2+4NaHCO3
4Na2CO3+O2↑+2H2O;当Na2O2与NaHCO3的物质的量之比为1∶1时,二者反应的总方程式为2Na2O2+2NaHCO3
2Na2CO3+O2↑+2NaOH,即当n(Na2O2)∶n(NaHCO3)≤1∶2时,反应后剩余固体为Na2CO3,当1∶21∶1时,反应后剩余固体为Na2O2、NaOH、Na2CO3,由此可以判断A、C、D正确,B错误。
ωg化学式符合通式(CO)m·(H2)n的物质(其中m、n为自然数)在O2中充分燃烧后,将其产物通过足量的Na2O2固体,反应完毕,固体增重ωg。
中学阶段常见符合这一关系的物质有
①无机物:
H2、CO及H2和CO的混合气体;
②有机物:
CH3OH(甲醇)、HCHO(甲醛)、CH3COOH(乙酸)、HCOOCH3(甲酸甲酯)、C6H12O6(葡萄糖)等。
题组二 过氧化钠性质实验探究
4.比较下列四组反应,回答下列问题:
第一组:
①Na2O2+CO2 ②Na2O2+SO2
第二组:
③Na2O2+FeCl3(溶液) ④Na2O2+FeCl2(溶液)
第三组:
⑤SO2通入品红溶液中,加热 ⑥Na2O2加入品红溶液中,加热
第四组:
⑦NaOH溶液滴入紫色石蕊溶液中 ⑧Na2O2固体加入紫色石蕊溶液中
(1)若第一组②不产生气体,用化学方程式解释原因:
__________________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)预测第二组中③④的现象是否可能相同:
_________________________________________。
(3)预测⑤⑥反应中可能产生的现象并分析原因。
(4)预测⑦⑧反应中可能产生的现象并分析原因。
答案
(1)Na2O2+SO2===Na2SO4
(2)可能相同
(3)⑤溶液红色褪去,加热后又恢复红色;⑥溶液红色褪去,加热后不能恢复红色。
前者是因为SO2与品红溶液生成的无色物质不稳定,受热易分解;后者是因为Na2O2具有强氧化性,将品红溶液氧化为无色。
(4)⑦溶液变蓝,⑧溶液先变蓝后褪色。
前者是因为NaOH溶液呈碱性,使紫色石蕊溶液变蓝;后者是因为Na2O2与H2O反应生成NaOH,溶液呈碱性,同时Na2O2又有漂白性。
5.某课外活动小组设计如图实验装置,验证“二氧化碳与水接触时才能和过氧化钠反应”。
(1)过氧化钠与二氧化碳反应的化学方程式是_______________________________________,
该反应中,反应物的总能量________(填“大于”或“小于”)生成物的总能量。
(2)装置Ⅰ中的试剂是________(填字母)。
a.稀盐酸b.稀硫酸
c.小苏打d.石灰石
(3)实验时,应先打开弹簧夹________(填“K1”或“K2”),观察到预期现象后,关闭它,再打开另一个弹簧夹。
(4)实验过程中将带火星的木条置于a口,观察到带火星的木条始终不复燃。
①为观察到最终木条复燃,甲建议在Ⅲ后安装一个盛有碱石灰的干燥管,目的是________________________________________________________________________。
②乙认为即使采纳甲的建议且最终观察到木条复燃,也不能证明CO2参与了反应,原因是________________________________________________________________________。
(5)为进一步达到实验目的,应补充的实验是:
取最终反应后Ⅲ中所得固体,________________________________________________________________________。
答案
(1)2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2 大于
(2)bc (3)K2
(4)①除去未充分反应的CO2
②水与Na2O2反应生成O2
(5)加入稀盐酸,将产生的气体通入澄清石灰水中(答案合理即可)
解析
(1)此反应是放热反应。
(2)依据实验目的,需要干燥CO2,所以装置Ⅰ是制取CO2的装置,因为盐酸易挥发出HCl,所以应选择稀硫酸、小苏打。
(3)先通干燥CO2,再通湿润CO2进行对比。
(5)证明反应后固体中含有CO
。
6.现有一定量含有Na2O杂质的Na2O2试样,用如图所示实验装置测定Na2O2试样的纯度。
(可供选用的反应物只有CaCO3固体、6mol·L-1盐酸、6mol·L-1硫酸和蒸馏水)
回答下列问题:
(1)装置A中液体试剂选用______________________________________________________。
(2)装置B的作用是____________________________________________________________,
装置E中碱石灰的作用是______________________________________________________。
(3)装置D中发生反应的化学方程式为___________________________________________。
(4)若开始时测得样品的质量为2.0g,反应结束后测得气体体积为224mL(标准状况),则Na2O2试样的纯度为________。
答案
(1)6mol·L-1盐酸
(2)除去气体中的HCl 吸收装置D中反应剩余的CO2
(3)2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2、Na2O+CO2===Na2CO3
(4)78%
解析
(1)A是用来制取二氧化碳的装置,碳酸钙和硫酸反应时,生成的硫酸钙微溶于水,会覆盖在碳酸钙的表面,使反应不能继续进行,所以用盐酸而不用硫酸来反应,故装置A中液体试剂选用6mol·L-1盐酸。
(2)碳酸钙和盐酸反应生成的二氧化碳中含有氯化氢气体,可用饱和碳酸氢钠溶液来除去;装置E中碱石灰的作用是吸收二氧化碳,防止二氧化碳对氧气的体积测量造成干扰。
(3)装置D中含有氧化钠和过氧化钠,CO2分别与它们发生反应。
(4)根据反应2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2,反应结束后测得气体体积为224mL(标准状况),即生成的氧气的物质的量为
=0.01mol,则过氧化钠的物质的量为0.02mol,故试样中过氧化钠的纯度为
×100%=78%。
考点二 Na2CO3、NaHCO3与酸反应图像及计算
1.Na2CO3、NaHCO3与足量盐酸反应的比较
二者浓度相同时生成CO2的速率
NaHCO3快
耗酸量
二者等质量
Na2CO3耗酸多
二者等物质的量
Na2CO3耗酸多
生成CO2的体积
二者等质量
NaHCO3产生的多
二者等物质的量
相等
2.依据图像特点判断溶液溶质成分的方法
(1)化学原理:
向碳酸钠溶液中逐滴滴加稀盐酸至过量,依次发生①CO
+H+===HCO
、②HCO
+H+===H2O+CO2↑,①②完成时消耗盐酸的量相等。
(2)图像分析
依据图像特点判断溶液溶质成分
若V(Oa)=V(ab)(即Oa段与ab段消耗盐酸的体积相同)
溶液中的溶质为Na2CO3
涉及离子方程式Oa:
CO
+H+===HCO
ab:
HCO
+H+===H2O+CO2↑
若V(Oa)>V(ab)(即Oa段消耗盐酸的体积大于ab段消耗盐酸的体积)
溶液中的溶质为Na2CO3和NaOH
涉及离子方程式Oa:
OH-+H+===H2O
CO
+H+===HCO
ab:
HCO
+H+===H2O+CO2↑
若V(Oa)溶液中的溶质为Na2CO3和NaHCO3
涉及离子方程式Oa:
CO
+H+===HCO
ab:
HCO
+H+===H2O+CO2↑
若a=0(即图像从原点开始)
溶液中的溶质为NaHCO3
涉及离子方程式:
HCO
+H+===H2O+CO2↑
题组一 Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应比较
1.有关NaHCO3和Na2CO3的性质,以下叙述错误的是( )
A.等质量的NaHCO3和Na2CO3与足量盐酸反应,在相同条件下Na2CO3产生的CO2体积小
B.等物质的量的两种盐与同浓度盐酸完全反应,所消耗盐酸的体积Na2CO3是NaHCO3的两倍
C.等质量的NaHCO3和Na2CO3与盐酸完全反应,前者消耗盐酸较多
D.等物质的量的NaHCO3和Na2CO3与足量盐酸反应产生CO2一样多
答案 C
解析 Na2CO3+2HCl===2NaCl+CO2↑+H2O
NaHCO3+HCl===NaCl+CO2↑+H2O
解答此类题目用归“1”法。
A项,假设二者都是1g,则n(NaHCO3)=n(CO2)=
mol,n(Na2CO3)=n(CO2)=
mol,正确;B项,假设二者均为1mol,则消耗的盐酸:
Na2CO3为2mol,NaHCO3为1mol,正确;C项,假设二者均为1g,Na2CO3需盐酸的物质的量为2×
mol=
mol,NaHCO3需盐酸
mol,错误。
题组二 已知溶质种类分析反应阶段
2.向NaOH和Na2CO3混合溶液中滴加0.1mol·L-1的稀盐酸,CO2的生成量与加入盐酸的体积(V)的关系如图所示。
(1)Oa段发生反应的离子方程式为________________________________________________。
(2)a的值为________。
(3)原混合溶液中NaOH与Na2CO3的物质的量之比为________。
答案
(1)OH-+H+===H2O、CO
+H+===HCO
(2)0.3 (3)2∶1
解析
(1)向NaOH和Na2CO3混合溶液中滴加0.1mol·L-1的稀盐酸,发生的反应依次为OH-+H+===H2O、CO
+H+===HCO
、HCO
+H+===CO2↑+H2O。
(2)从图像知生成0.01molCO2,根据HCO
+H+===CO2↑+H2O知,消耗HCl的物质的量为0.01mol,ab段消耗盐酸的体积为
=0.1L,a=0.4-0.1=0.3。
(3)根据离子方程式和图像可知Na2CO3的物质的量是0.01mol,共计消耗盐酸0.02mol,所以与氢氧化钠反应的盐酸是0.04mol-0.02mol=0.02mol,则氢氧化钠的物质的量为0.02mol,因此,原混合溶液中NaOH与Na2CO3的物质的量之比为2∶1。
题组三 依据图像分析确定溶质种类
3.分别取等物质的量浓度的氢氧化钠溶液各100mL,再通入一定量的CO2,随后分别各取20mL溶液,向其中逐滴滴入0.2mol·L-1的盐酸,在标准状况下产生CO2的体积(y轴)与所加入盐酸的体积(x轴)的关系如图(分A、B两种情况):
(1)在A情况下,溶质是_________________(填化学式),其物质的量之比为________。
(2)在B情况下,溶质是__________________(填化学式),其物质的量之比为________。
(3)原氢氧化钠溶液的物质的量浓度为________。
答案
(1)NaOH、Na2CO3 1∶1
(2)Na2CO3、NaHCO3 1∶1 (3)1.5mol·L-1
解析
(1)对于A情况,V1=100mL,V2=(150-100)mL=50mL根据NaOH+HCl===NaCl+H2O,Na2CO3+HCl===NaHCO3+NaCl,NaHCO3+HCl===NaCl+H2O+CO2↑可知,NaOH和Na2CO3的物质的量之比等于消耗盐酸的体积之比,则n(NaOH)∶n(Na2CO3)=(100mL-50mL)∶50mL=1∶1。
(2)对于B情况,V1=50mL,V2=150mL-50mL=100mL>V1,据此判断溶液中溶质的成分是Na2CO3和NaHCO3。
根据Na2CO3+HCl===NaHCO3+NaCl,NaHCO3+HCl===NaCl+H2O+CO2↑,可知NaHCO3和Na2CO3的物质的量之比等于两个过程分别消耗盐酸的体积之比,则n(NaHCO3)∶n(Na2CO3)=(150mL-50mL-50mL)∶50mL=1∶1。
(3)当加入150mL盐酸时,恰好完全反应,此时溶液中溶质为NaCl。
据物料守恒有n(NaOH)=n(Na+)=n(Cl-)=0.2mol·L-1×0.15L=0.03mol,所以原氢氧化钠溶液的物质的量浓度为
=1.5mol·L-1。
考点三 Na2CO3的制备和质量分数测定
一、侯氏制碱法
1.制备原料
食盐、氨气、二氧化碳——合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气;其反应为C+H2O(g)
CO+H2,CO+H2O(g)
CO2+H2。
2.工艺流程
3.反应原理
(1)产生NaHCO3的反应:
NH3+NaCl+CO2+H2O===NaHCO3↓+NH4Cl。
(2)产生Na2CO3的反应:
2NaHCO3
Na2CO3+H2O+CO2↑。
4.绿色思想
循环使用的物质为CO2、饱和食盐水。
二、测定碳酸钠质量分数的常用方法
1.气体法
(1)测定原理:
Na2CO3+H2SO4===Na2SO4+H2O+CO2↑。
依据CO2的体积确定Na2CO3的物质的量,进而确定纯碱中Na2CO3的含量。
(2)实验操作:
向mg纯碱样品中加入足量的稀硫酸,准确测量产生CO2气体的体积为VmL(已折算为标准状况)。
(3)数据处理
纯碱样品中Na2CO3的质量为
mol×106g·mol-1=
g,则纯碱样品中Na2CO3的质量分数为
×100%=
%。
2.沉淀法
(1)测定原理:
Na2CO3+BaCl2===BaCO3↓+2NaCl。
依据BaCO3沉淀的质量,确定Na2CO3的物质的量,进而确定纯碱中Na2CO3的含量。
(2)实验操作:
先将mg纯碱样品溶于水配成溶液,向溶液中加入过量的BaCl2溶液,经过滤、洗涤、干燥得BaCO3沉淀的质量为ng。
(3)数据处理
纯碱样品中Na2CO3的质量为
×106g·mol-1=
g,则纯碱样品中Na2CO3的质量分数为
×100%=
×100%。
题组一 侯氏制碱法
1.以下是在实验室模拟“侯氏制碱法”生产流程的示意图:
则下列叙述错误的是( )
A.A气体是NH3,B气体是CO2
B.侯氏制碱法的工艺过程中应用了物质溶解度的差异
C.第Ⅲ步操作用到的主要玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒
D.第Ⅳ步操作是将晶体溶于水后加热、蒸发、结晶
答案 D
解析 A项,利用NH3极易溶于水,且水溶液显碱性,可以提高CO2的吸收,因此先通NH3后通CO2,正确;B项,NaHCO3的溶解度小于Na2CO3的溶解度,利用了溶解度的差异,正确;C项,操作Ⅲ是过滤,因此用到玻璃仪器:
烧杯、漏斗、玻璃棒,正确;D项,晶体是NaHCO3,利用NaHCO3的不稳定性,2NaHCO3
Na2CO3+CO2↑+H2O,错误。
2.实验室模拟侯氏制碱法制取纯碱和氯化铵溶液,下列有关操作错误的是( )
A.图1为制取氨气将其溶于饱和食盐水
B.图2为过滤获得碳酸钠晶体
C.图3为灼烧碳酸氢钠制取碳酸钠
D.图4为蒸发浓缩氯化铵溶液
答案 B
解析 A项,用氯化铵和氢氧化钙共热制备氨气,正确;B项,侯氏制碱法中溶液析出的晶体为碳酸氢钠,故应过滤获得碳酸氢钠,错误;C项,在坩埚中灼烧碳酸氢钠分解制备碳酸钠,正确;D项,蒸发皿中蒸发浓缩氯化铵溶液,并不断搅拌,正确。
题组二 Na2CO3质量分数的测定
3.为精确测定工业纯碱中碳酸钠的质量分数(含少量NaCl),准确称量Wg样品进行实验,下列实验方法所对应的实验方案和测量数据合理的是( )
选项
实验方法
实验方案
测量数据
A
滴定法
将样品配成100mL溶液,取10mL,加入酚酞,用标准盐酸滴定
消耗盐酸的体积
B
量气法
将样品与盐酸反应,生成的气体全部被碱石灰吸收
碱石灰增加的质量
C
重量法
将样品放入烧瓶中,置于电子天平上,加入足量盐酸
减少的质量
D
量气法
将样品与盐酸反应,气体通过排水量气装置量气
排出水的体积
答案 A
解析 用酚酞作指示剂时,Na2CO3与盐酸发生反应Na2CO3+2HCl===2NaCl+CO2↑+H2O,依据消耗盐酸的量可以计算出样品中Na2CO3的量,进而确定样品中Na2CO3的质量分数,A项正确;测量碱石灰增重的方法是重量法而不是量气法,B项错误;样品中加入足量盐酸,因盐酸的质量未知,无法通过重量法测量Na2CO3的质量,C项错误;因部分CO2能溶解到水里,与水反应生成H2CO3,故排出水的体积并不是CO2的体积,D项错误。
4.(2020·河南安阳模拟)为了测定NaCl、Na2CO3·10H2O和NaHCO3的混合物中各组分的含量,某同学设计如下实验:
取一定质量的混合物,通过测量反应前后②和③装置质量的变化,测定该混合物中各组分的质量分数。
下列说法中错误的是( )
A.①②③中可以依次盛装碱石灰、无水CaCl2、碱石灰
B.硬质玻璃管加热前,应关闭b,打开a,缓缓通入空气,直至a处出来的空气不再使澄清石灰水变浑浊为止
C.若将①装置换成盛放NaOH溶液的洗气瓶,则测得的NaCl含量偏大
D.实验过程中一直通入空气,停止加热后再停止通入空气
答案 C
解析 根据实验目的和装置的连接顺序可知:
装置①用于吸收空气中的CO2和水蒸气,可以使用碱石灰;装置②吸收Na2CO3·10H2O和NaHCO3分解生成的水蒸气,可以使用无水CaCl2;装置③吸收碳酸氢钠分解生成的CO2,使用碱石灰,A项正确;实验前必须将装置中的水蒸气和CO2赶净,避免影响测定结果,硬质玻璃管加热前,应关闭b,打开a,缓缓通入空气,直至a处出来的空气不再使澄清石灰水变浑浊为止,B项正确;若将①装置换成盛放NaOH溶液的洗气瓶,则会增加水的质量,使测得Na2CO3·10H2O和NaHCO3的含量偏高,NaCl的含量偏低,C项错误;实验过程中一直通入空气,停止加热后继续通入空气使存留在装置中的CO2和水蒸气完全被吸收,D项正确。
5.小苏打长期放置在空气中会变质(部分转变为Na2CO3),某研究小组欲测定某小苏打样品中NaHCO3的质量分数,设计如下实验方案:
Ⅰ.加热分解法
利用图1装置,充分加热小苏打样品。
(1)仪器a的名称为_____________________________________________________________。
(2)在实验过程中,需要测量的实验数据如下:
①仪器a的质量;②_____________________;③________________。
Ⅱ.测量气体体积法
利用图2装置,测定反应生成气体的体积。
(3)组装好仪器后,首先进行的操作为______________________________________________。
(4)导管g的作用为_________________