碳酸氫鈉熱分解反應(yīng)的研究

1、boysj130碳酸氫鈉熱分解反應(yīng)的研究郭孝兵任峰 張典俊（合肥市第一中學(xué)安徽合肥 230601 ）碳酸氫鈉是中學(xué)化學(xué)中經(jīng)常會(huì)討論到的一種鈉的化合物，其貫穿在很多知識(shí)點(diǎn)的考查 中，如物質(zhì)的分離和提純；與碳酸鈉之間的相互轉(zhuǎn)化；其水溶液蒸干后所得到的固體成分； 其水溶液加熱過程中 ph的變化及原因探究等等。而很多教輔資料中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了碳酸氫鈉的 熱分解只針對(duì)固體加熱， 認(rèn)為碳酸氫鈉溶液加熱不會(huì)分解，因?yàn)槿芤旱臏囟炔荒芡黄?100c,碳酸氫鈉不能分解，事實(shí)是這樣嗎？為了將這個(gè)問題討論清楚，給中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供一個(gè)重要的參考依據(jù)，本文重點(diǎn)討論了碳酸氫鈉固體及其水溶液的熱分解情況。1 .實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

2、和主要儀器碳酸氫鈉固體（分析純）、高溫傳感器（威尼爾）、常溫傳感器（威尼爾）、co2氣體傳 感器（威尼爾）、采集器、計(jì)算機(jī)、酒精燈、磁力攪拌器、鐵架臺(tái)、燒杯、容量瓶等1.2 實(shí)驗(yàn)思路（1）碳酸氫鈉固體的熱分解：稱量 7.5g碳酸氫鈉固體，置于干燥的大試管中，將高溫 傳感器的探頭置于大試管的底部，使固體完全覆蓋住探頭，然后將co2傳感器放入試管口，加熱，當(dāng)co2的濃度突然快速升高時(shí)，說明碳酸氫鈉固體開始分解，此時(shí)的溫度即為開始 分解的溫度。裝置圖如圖1。圖2（2）碳酸氫鈉溶液的熱分解：精確配制 200 ml 0.1mol/l碳酸氫鈉溶液，取 100ml置于 錐形瓶中，放入常溫傳感器和 co2傳感

3、器，用磁力攪拌器加熱同時(shí)進(jìn)行磁力攪拌， 如果co2 濃度突然升高，說明其開始分解，記錄開始分解溫度。裝置圖如圖2。1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集碳酸氫鈉固體的熱分解3圖3(65.83碳酸氫鈉溶液的熱分解圖41.4 實(shí)驗(yàn)分析碳酸氫鈉固體的熱分解實(shí)驗(yàn)操作較為簡單，干擾因素很少，圖像較完整，100.2c開始分解。但是由于其分解溫度較低，酒精燈升溫速度較快，不利于觀察持續(xù)變化過程，再加上可能會(huì)出現(xiàn)固體受熱不均現(xiàn)象，而使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，所以，在加熱過程中，先勻速移動(dòng)酒精燈給試管底部加熱，再集中對(duì)高溫傳感器探頭所在位置加熱。圖像中的突變問題可能是由于溫度升高后，分解速率加快所致。不足之處就是由于co2傳感器量程的

4、局限性，未能測出其分解完全時(shí)與溫度的動(dòng)態(tài)關(guān)系。碳酸氫鈉溶液的熱分解， 給我們的認(rèn)識(shí)帶來較大沖擊，20c左右其就開始分解了， 只不過速率較慢，隨著溫度的升高，分解速率逐漸加快，在76 c左右時(shí)，co2濃度發(fā)生突變，開始急劇分解，但是在整個(gè)分解過程中，出現(xiàn)了co2濃度下降，后來又急劇升高的現(xiàn)象，可能是水蒸汽附在傳感器表面造成的影響，待水蒸汽冷凝滴下后，傳感器測出的co2濃度又恢復(fù)正常。2 .實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過實(shí)驗(yàn)可以看出，碳酸氫鈉固體的分解比其溶液分解溫度要高。碳酸氫鈉固體分解溫度在100.2c左右，這與東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院的趙傳文等進(jìn)行的熱重分析法測定結(jié)果較 為吻合，考慮到反應(yīng)氣氛、升溫速率、壓強(qiáng)等

5、對(duì)于其分解速率可能會(huì)帶來影響，該測定結(jié)果 主要針對(duì)常壓、空氣中加熱做的分析，在以后的研究中，將對(duì)升溫速率的控制做進(jìn)一步的思 考改進(jìn)。而碳酸氫鈉溶液常溫下就可以分解，只是速率較慢，溫度升高后，分解速率會(huì)加快，在76 c左右開始急劇分解。這一結(jié)論對(duì)于我們理解中學(xué)化學(xué)中很多與此有關(guān)的內(nèi)容時(shí)，有很好的參考價(jià)值。如碳酸氫鈉溶液蒸干時(shí)，得到的應(yīng)是碳酸鈉固體；溶液溫度升高，碳酸氫鈉溶 液的ph值增大，原因也與其分解有很大關(guān)系，而不能單純的認(rèn)為其不能分解，以為只是開 溫促進(jìn)水解而已。3.理論依據(jù)碳酸氫鈉固體的分解， 很多人已進(jìn)行了研究討論，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與其較為吻合。而實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)碳酸氫鈉溶液能夠分解，從理論

6、上來看，能發(fā)生分解嗎？帶著這個(gè)疑問，我們查 閱了相關(guān)資料，進(jìn)行了有關(guān)討論計(jì)算:(1)低溫蒸干碳酸氫鈉溶液，所得固體是碳酸鈉嗎?碳酸氫鈉溶液中存在著 溶液顯堿性。hco 3-的水解平衡和電離平衡， 其中水解占據(jù)主導(dǎo)地位,故其水 hco3-+h2oh2co3+oh - hco3 -co32 +h h2co3= h2o+co2 h+ oh- h2o由喳+得 2hco3- (aq)co32- (aq) +h2o (l) +co2 (g) fh298?/(kj mol-1)-690.5-675.6-285.6-393.1 fg298?/(kj mol-1)-586.5-527.6-237.0-394.1

7、 rh298?/(kj mol-1)=(-675.6)+(-285.6)+(-393.1)-(-690.5)2=28.7 kj mol-1 rg298?/(kj mol-1)=(-527.6)+(-237.0)+(-394.1)-(-586.5)2=14.4 kj mol-1由 gr?=-rtlnk ?可得，k?=3.0 10-3綜上所述，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升溫有利于生成co2。(2)敞口放置的碳酸氫鈉溶液，室溫下會(huì)自發(fā)分解嗎？已知：h2co3的電離平衡常數(shù)為ki=4.30 x 10-7, k2=5.61 x 10-11, 0.1 mol/l碳酸氫鈉溶液的ph值為8.3 (用ph計(jì)測量)，由h

8、co3-+h2okh2co3+oh-可求出室溫時(shí)碳酸氫鈉 的水解度為 h=(kh)0.5/1+(kh)0.5, kh=kw/(1+ki)=2.33x 10-8, h=1.53x 10-2%,由此我們發(fā)現(xiàn),其水解程度是很小的，我們可將其起始濃度作為平衡濃度代入計(jì)算，hco3=co32-+h +由 k2= co 32- h+/ hco 3-解得co32-=1.1 x10-3mol/l由反應(yīng)的熱力學(xué)平衡常數(shù)k?及熱力學(xué)平衡表達(dá)式可得，欣如 ( ijxiqmol "l'1 巳 lq13 x 1/pa1 mal 廿i 1 mol l-1)30 x 10x pco2 = l1x103=0.027x1,013x10由以上計(jì)算可知，0.1mol/l碳酸氫鈉溶液敞口放置，自然分解的co2氣體分壓大于空氣中的co2氣體分壓(0.0003 x 1.013x 105pa),所以碳酸氫鈉溶液常溫下能自發(fā)分解生成 co2。若溫度降至0c,反應(yīng)的自由能為 17.7 kj mol-1, k?=4.13 10-4,與25c的k?相差 10倍