碳酸钠浓度对硫酸钡溶解机理的影响探究_中小学试题|家庭教育题库|辅导习题「中国戏曲学院附属中等戏曲学校」




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碳酸钠浓度对硫酸钡溶解机理的影响探究

中小学试题|家庭教育题库|辅导习题「中国戏曲学院附属中等戏曲学校」来源: https://www.gxfz.org 2019-12-13 16:53高中 260 ℃
硫酸钠溶解度

江西科技师范大学
毕业设计(论文)
题目( 中文 ):碳酸钠浓度对硫酸钡转化机理的影响探究   
( 外文 ):concentration of sodium carbonate on   
the barium sulfate conversion mechanism 
to explore the influence of             
院  (系):          化学化工学院                   
专    业:          化学(师范)                 
学生姓名:            马莉                       
学    号:          20090945                     
指导教师:         王静岚  副教授                   

2013  年  04  月  23  日

目录
1. 前言    .1
1.1硫酸钡能转化成碳酸钡    2
1.2 实验原理    3
1.2.1沉淀转化方向理论分析    2
1.2.2实验过程机理    3
1.2.3转化反应的发生    4
1.2.4实验用量讨论    4
1.2.5实验的意义    5
2. 实验部分    5
2.1 仪器与试剂    5
2.2 实验装置    5
2.3 实验操作    6
3. 结果与讨论    6
3.1实验数据记录    6
3.2 数据计算    8
3.2.1理论上最大生成BaCrO4的质量    8
3.2.2 BaCrO4质量的平均值    9
3.2.3 BaCrO4转化率    9
3.3 数据分析与讨论    9
3.3.1 总结    10
3.3.2讨论    10
4. 结论及成果    10
参考文献    11

碳酸钠浓度对硫酸钡转化机理的影响研究
摘要:本文从理论和实验两个角度来探究硫酸钡转化成碳酸钡的条件,并研究了碳酸钠浓度和温度两个因素对硫酸钡转化成碳酸钡的影响。结果表明在无机化学实验阳离子的鉴定中,硫酸钡转化成碳酸钡这一经典实验一定是有条件的,40摄氏度是这一转化的最佳温度,并且其转化率会随着碳酸钠浓度的升高而增大,从而使无机化学实验中,各离子鉴定的反应条件更明确,是无机化学实验中一大突破。

关键词: 硫酸钡; 碳酸钡; 浓度; 温度; 转化率; 溶解度; 碳酸钠;
1. 前言
1.1硫酸钡能转化成碳酸钡
BaSO4和BaCO3都是难溶于水的, 且BaSO4比BaCO3的溶解度更小(BaSO4的Ksp= 1.1×10-10,
BaCO3的Ksp=5.1×10-9),因此, 我们可以将BaCO3和一种可溶性硫酸盐作用,从而使BaCO3转化成BaSO4, 一般地都认为BaSO4不能转化成BaCO3,即如下反应不能进行。
BaSO4+ Na2CO3 ≠BaCO3 + Na2SO4
通常BaCO3的溶解度比BaSO4的溶解度大, 不能由溶解度小的沉淀转化成溶解度较大。
因此, 在中学教材里, 一般认为不能由溶解度更小的沉淀转化成溶解度较大的沉淀。

BaSO4是否绝对的不能转化成BaCO3呢,
我们且看一个实验:
在BaCl2溶液中滴加适量的Na2SO4,使溶液中的Ba2+全部转化成BaSO4,过滤、取少量的沉淀物, 沉淀用饱和Na2CO3热的溶液处理2一3次, 过滤、离心分离,再把沉淀物溶于稀盐酸,发现沉淀溶解且有气体生成,说明BaSO4沉淀已转化成BaCO3沉淀了。

这就说明硫酸钡能转化成碳酸钡,但是由这种溶解度小的沉淀转化成溶解度大的沉淀比较困难,那么溶解度小的硫酸钡转化成溶解度大的碳酸钡的适宜条件是什么呢。是这次实验探究的主要目的。
1.2实验原理
1.2.1沉淀转化反应的方向理论分析
BaSO4的Ksp= 1.1×10-10小于BaCO3的Ksp=5.1×10-9,仅以BaSO4与BaCO3的溶度积表面上进行比较,似乎反应不能进行,但只要改变条件,平衡就要移动:

当[Ba2+][CO32-]>Ksp, BaCO3时, BaSO4就能转化为BaCO3,加入[CO32-]离子浓度越大,则转化越完全。
已知, [Ba2+] [CO32-]=5.1×10-9=Ksp, BaCO3,要使[Ba2+] [CO32-]>5.1×10-9,
则[Ba2+]>5.1×10-9/[CO32-]                    ① 
BaCO3沉淀就可以析出,而在体系中[Ba2+]决定于BaSO4的溶度积:
[Ba2+]=Ksp, BaSO4/[SO42-]=1.1×10-10/[SO42-]    ② 
将②式代入①式得:  1.1×10-10/[SO42-]>5.1×10-9/[CO32-]   
将上式移项,就可以得到[CO32-]与[SO42-]的比例关系:         
[CO32-]/[SO42-]>5.1×10-9/1.1×10-10= 46     
从理论上讲,只要当溶液中的[CO32-]比[SO42-]大46倍, Na2CO3就可以使BaSO4沉淀转化为BaCO3沉淀。
1.2.2实验过程机理
用BaCl2和Na2SO4搅拌至完全反应得到BaSO4沉淀,然后分别在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃不同的温度下,向BaSO4沉淀中加入10℃下273ml饱和的碳酸钠溶液(即12.5%的碳酸钠溶液)2次、3次、4次、5次,并且每一次加入反应后都要静置一段时间且去除上层澄清液(否则反应效果不明显),不断搅拌使之转化成BaCO3沉淀,去除上层澄清液,在BaSO4和BaCO3的混合沉淀中加入6mol/L HCl至气泡不再产生为止,则BaCO3与HCl反应生成CO2 、H2O和BaCl2(BaSO4和HCl不反应)。离心去除没有反应的BaSO4沉淀,则上层离心液为BaCO3与HCl反应生成的BaCl2溶液,加入2mol/L的NaOH溶液,调节PH至弱碱性,再在上层清液中加入过量的0.5mol/L的K2CrO4溶液,使BaCO3中游离出来的钡离子结合铬酸根离子生成黄色的BaCrO4沉淀,抽滤,洗涤2次,干燥,称量,得出BaCrO4沉淀的质量,就得出BaCO3沉淀的质量,那么就可以知道BaSO4转化成了BaCO3的质量,再计算出BaSO4转化成BaCO3的转化率,那么就可以知道,BaSO4转化成BaCO3的转化率高低的突破点在哪,从而可以探究出BaSO4转化成BaCO3的最佳适宜条件。

1.2.3 转化反应的发生
①沉淀全部溶解,说明BaSO4全部转化为BaCO3,因为BaSO4与盐酸反应,沉淀不溶解,BaCO3与盐酸反应,沉淀全部溶解。
②BaSO4与BaCO3发生转化的相关实验反应式:
BaCl2 + Na2SO4 〓BaSO4↓+ NaCl
BaSO4 + Na2CO3 〓BaCO3 + Na2SO4
BaCO3 + 2HCl 〓BaCl2 + CO2↑+ H2O
BaCl2 + K2CrO4 〓BaCrO4↓+ 2KCl
1.2.4 实验用量讨论
为了使生成硫酸钡和碳酸钡沉淀的量不会太少,以至于造成实验误差很大,以及考虑到节约药品,清洁环保的情况,所以本实验取30mL 0.5mol/L BaCl2与50mL 0.5mol/L Na2SO4反应(Na2SO4过量),即每一次生成0.015mol的BaSO4沉淀,
又根据已知可知,
需要加入的碳酸钠的质量为:106×46×0.015=73.14g,
一般来说,加过量剂以超出20%-50%为宜,此时可以认为沉淀已经完全,这里以超出40%来计算,73.14+73.14×40%=102.40g。
又在10℃下,碳酸钠的溶解度为12.5g,那么102.40g的碳酸钠需要饱和碳酸钠溶液的体积为:
100:12.5=V:102.40,得出V=819.2ml≈819ml,即理论上加入碳酸钠饱和溶液的体积约为819ml时BaSO4能够全部转化为BaCO3,本实验将通过一次性加入819ml饱和碳酸钠溶液与分三次加入819ml饱和碳酸钠溶液来讨论其对硫酸钡的转化率的影响。

在后续试验中,由于加入3次273ml饱和碳酸钠溶液,即是加入819ml饱和碳酸钠溶液,是BaSO4能够全部转化为BaCO3时理论上所需要的饱和碳酸钠溶液的量,因此本实验要探究少于819ml饱和碳酸钠溶液以及多于819ml饱和碳酸钠溶液时,硫酸钡的转化率情况。那么加入1次、2次273ml饱和碳酸钠溶液就是少于819ml饱和碳酸钠溶液的情况,加入4次、5次273ml饱和碳酸钠溶液就是多于819ml饱和碳酸钠溶液的情况,又考虑到加入1次273ml饱和碳酸钠溶液时,硫酸钡的转化率太低,以至于生成BaCrO4沉淀的质量太少,造成实验误差太大,结果不正确,所以本实验将要分加入273ml饱和碳酸钠溶液2次、3次、4次、5次这四种情况。
1.2.5实验的意义
在无机化学实验教材中,其中阳离子的鉴定中,硫酸钡转化成碳酸钡这一实验的实验条件比较模糊,学生用铬酸钾来检验碳酸钡中的钡离子时(碳酸钡是由硫酸钡转化而来),当他们看见黄色沉淀时,就认为是铬酸钡沉淀,其实有可能是铬酸钾黄色溶液的掩盖而造成的假象,即不一定有铬酸钡沉淀,在此条件下,硫酸钡不一定转换成了碳酸钡,也就是说硫酸钡转化成碳酸钡是在一定条件下的,因此,我们有必要探究这一转化的条件,使这一转化关系更清楚和明了。

2.实验部分
2.1仪器与试剂
烧杯,玻璃棒,布氏漏斗,抽滤瓶,循环水泵,烘箱,搅拌机,水浴锅,电子秤,滤纸,剪刀,离心机,量筒,药勺,胶头滴管,表面皿,PH试纸,标准比色卡。
BaCl2[分析纯,BaCl2·2H2O],Na2SO4[分析纯,无水硫酸钠],Na2CO3[分析纯,无水碳酸钠],37.5%HCl,98%H2SO4,K2CrO4[分析纯,无水铬酸钾],2mol/L NaOH。

2.2实验装置
2.3 实验操作
将BaCl

2、Na2SO

4、K2CrO4配置成0.5mol/L溶液备用,将Na2CO3配置成10摄氏度下饱和碳酸钠溶液(12.5%的碳酸钠溶液),将浓盐酸和浓硫酸都稀释成6mol/L的稀溶液,备用。
取30ml 0.5mol/L BaCl2与50ml 0.5mol/L Na2SO4搅拌至完全转化成BaSO4沉淀(在上澄清液中加入6mol/L H2SO4直至白色沉淀完全)。
分别在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃下,将819ml饱和Na2CO3溶液一次性加入BaSO4悬浊液中和分三次加入BaSO4悬浊液中反应三十分钟,静置15分钟,去除上层澄清液,在沉淀中分别加入过量的6mol/L的HCl,记录实验现象。
分别在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃下,在生成的BaSO4悬浊液中加入饱和Na2CO3溶液273ml,搅拌三十分钟,静置15分钟,去除上层澄清液,再在沉淀悬浊液中第二次加入273ml饱和的Na2CO3溶液,继续搅拌三十分钟,静置15分钟,去除上层澄清液,在沉淀中加入过量的6mol/L的HCl至气泡不再产生为止,离心,留下上层澄清液,再在上层清液中加入2mol/L NaOH,将PH调至成弱碱性,然后加入过量的0.5mol/L的K2CrO4,生成黄色的BaCrO4沉淀,抽滤,洗涤2次,干燥,称重,计算转化率,重复两遍。

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