[原创] 小问题,大思考——二氧化硫与澄清石灰水的反应
小问题,大思考——二氧化硫与澄清石灰水的反应

幼时,初识字,家中有一本旧的《中学生手册》,胡乱拿来翻读,其中有化学部分,囫囵吞枣记住几句话:“二氧化碳通入澄清石灰水变浑浊,二氧化硫也有此反应,但二氧化硫有刺激性气味,能使品红溶液褪色……”

转眼到初三,真正开始上化学课了,顿时被化学实验所吸引。一日,老师在课堂上讲道:“三瓶无色气体,其中一瓶能使澄清石灰水变浑浊,可以证明这一瓶气体是二氧化碳……”

本人当时年少轻狂,不懂尊重老师,在下面随口一句:“不对!二氧化硫也能让澄清石灰水变浑浊!”

老师一愣,不过反应很快,立即说道:“三瓶无色无味气体,听清楚没有!”

我当时就不说话了。

过了若干天,班主任对我家长说道:“化学老师告诉我,你家小孩竟然在课堂上说了个高中化学知识!”

老师竟然间接承认我说的是对的(当时的师生关系比现在纯净得多),我自认得意,于是“二氧化硫也能让澄清石灰水变浑浊”这一命题似乎已经定论正确。

不料到了高中,另一位化学老师(这位老师在当时公认相当有水平)在课堂上问大家:“二氧化硫能让澄清石灰水变浑浊吗?”

同学们,包括我本人,几乎异口同声回答道:“可以!”

老师摇摇头,说道:“我们做过实验,不行,向澄清石灰水中通二氧化硫不见变浑浊,滴加亚硫酸(二氧化硫的水溶液)也不见变浑浊。”

接着,老师又提醒道:“查一下亚硫酸钙的溶解度,变浑浊很难(意思是指亚硫酸钙溶解度比碳酸钙大)。”

但老师并未在课堂上做演示实验,到底二氧化硫能否让澄清石灰水变浑浊?在我脑海中留下一个印象很深的疑问。

大学毕业后,工作后,偶尔看到一些书籍和论文,有提到二氧化硫与澄清石灰水反应的,大部分参考文献的结论是:不能(或者不容易)看到变浑浊,原因可能有亚硫酸钙的溶解度比碳酸钙大,二氧化硫在水中的溶解度远大于二氧化碳,亚硫酸的酸性远强于碳酸导致沉淀迅速被过量二氧化硫溶解等。

后来又看到一些较新的参考文献,说明经实验证明,只要控制好二氧化硫通入澄清石灰水的量,控制通入速率,或者使用较大量(数百ml以上)的澄清石灰水,是能看到先变浑浊又澄清现象的。

究竟如何,还是通过实验来证实吧,于是笔者筹划了一个实验。

买回一瓶纯净水,倒出约50ml,向瓶中剩下的纯净水中投入2g—3g试剂级氢氧化钙(熟石灰),拧紧瓶盖,充分摇动,然后静置24h以上,待上层液体完全澄清,即为制备好的澄清石灰水。

取少量制备好的澄清石灰水,用二氧化碳检验,可见明显的变浑浊现象。在一只250ml的锥形瓶中注入约250ml制备好的澄清石灰水。

取φ25mm×200mm的大具支试管一支,装入焦亚硫酸钠(Na2S2O5)或者亚硫酸氢钠(NaHSO3)粉末4g—5g,具支试管上口用插有30ml分液漏斗的单孔塞塞紧,支管连接一根直角玻璃管,插入锥形瓶盛装的澄清石灰水中,将具支试管垂直固定在铁架台上。分液漏斗中装入3mol/L硫酸氢钠(NaHSO4)溶液约30ml。

IMG_20170707_221520.jpg


检查装置气密性后,小心旋转分液漏斗的活塞,将硫酸氢钠溶液滴加到焦亚硫酸钠粉末上,反应立即开始,生成二氧化硫气体。

Na2S2O5 + 2NaHSO4 = 2Na2SO4 + H2O + 2SO2↑

二氧化硫通入澄清石灰水中,一开始看不到溶液中有明显反应现象。相比之下,二氧化碳通入澄清石灰水中,几乎立即可以看到溶液中出现烟云状的碳酸钙沉淀。

继续缓慢滴加硫酸氢钠溶液,并略微摇晃锥形瓶,片刻后可以看到锥形瓶中出现少量颗粒状悬浮物。

随着二氧化硫的继续通入,过一段时间后,溶液开始出现明显的变浑浊现象,随后浑浊程度迅速增大,浑浊程度不亚于二氧化碳通入澄清石灰水。

很显然,下列反应基本是可信的:

Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3↓ + H2O

IMG_20170707_222413.jpg


很快还出现了明显的沉淀物下沉现象,白色沉淀物逐渐向锥形瓶底部聚集。

继续滴加硫酸氢钠溶液以生成更多的二氧化硫,如果硫酸氢钠溶液已经接近滴加完,可向分液漏斗中再补加少量硫酸氢钠溶液。过量的二氧化硫继续通入液体,并不时略微摇晃锥形瓶,浑浊的液体逐渐重新澄清,聚集在锥形瓶底部的白色沉淀物也逐渐溶解。

CaSO3 + H2O + SO2 = Ca(HSO3)2

待焦亚硫酸钠粉末完全溶解后,二氧化硫气体基本不再产生,此时锥形瓶中的液体已基本澄清,但锥形瓶底部仍然残留有少量白色沉淀物。

IMG_20170707_224657.jpg


实验证实:澄清石灰水用量较大的情况下,二氧化硫通入澄清石灰水,实验现象与二氧化碳有相似之处,能看到溶液先变浑浊,又重新变澄清。

但二氧化硫通入澄清石灰水的实验现象,与二氧化碳通入澄清石灰水还是有明显不同,值得思考:

1、二氧化硫通入澄清石灰水,与二氧化碳相比,出现沉淀的有利和不利条件。

亚硫酸钙(CaSO3)的溶解度确实比碳酸钙(CaCO3)大,这对于沉淀析出是不利的。

但二氧化硫在水中的溶解度远大于二氧化碳,亚硫酸的电离平衡常数也远大于碳酸,二氧化硫向溶液中提供亚硫酸根离子的能力,比二氧化碳向溶液中提供碳酸根离子的能力要强得多,这对于生成沉淀又是有利的。

亚硫酸的酸性远强于碳酸,对沉淀转化为可溶性物质(亚硫酸氢钙或者碳酸氢钙)重新溶解是有利的,这对于沉淀析出还是不利的。

2、相对碳酸钙,亚硫酸钙沉淀析出过程的动力学问题。

澄清石灰水与二氧化碳的反应相当灵敏,二氧化碳通入澄清石灰水中,几乎立即可以看到溶液中出现烟云状沉淀。

澄清石灰水与二氧化硫的反应却不太灵敏,一开始看不到溶液中有明显反应现象,片刻后先出现少量颗粒状悬浮物,过一段时间后溶液才明显变浑浊。

这一现象对比可以说明,不仅亚硫酸钙溶解度比碳酸钙大,亚硫酸钙沉淀的析出要比碳酸钙慢得多,也就是从沉淀析出过程动力学的角度考虑,亚硫酸钙沉淀的析出速率较低。

造成这一现象的原因,可能与亚硫酸钙的溶解度较大有关,但也可能与沉淀结晶的晶形等因素有关,亚硫酸钙沉淀很快就会出现明显的沉淀物下沉现象,基本可以说明沉淀结晶粗大容易下沉。

从以上思考可以得出一个初步结论:如果像检验二氧化碳一样,将二氧化硫通入少量澄清石灰水(一般试管中的澄清石灰水仅几ml),由于亚硫酸钙沉淀析出较慢,可能等不到亚硫酸钙沉淀析出,高溶解度的二氧化硫已经明显过量,生成的中强酸亚硫酸早已将亚硫酸钙转化为亚硫酸氢钙,因此就不容易看到溶液变浑浊了。

但如果将二氧化硫通入较大量的澄清石灰水,只要保证在亚硫酸钙沉淀明显析出前,氢氧化钙没有完全反应掉,或者二氧化硫没有明显过量,则亚硫酸钙沉淀一旦析出,现象反而比二氧化碳明显,除了可以看到不亚于二氧化碳的浑浊现象之外,还能看到沉淀物明显下沉,聚集到容器底部。

以上的思考和初步结论还是十分粗略的,要想较精确研究这个问题,必须从气体溶解平衡、电离平衡、沉淀—溶解平衡等热力学角度,以及气体溶解速率、电离速率、沉淀析出速率等动力学角度,甚至包括沉淀结晶晶形等多个角度进行综合性的分析,建立适当的数学模型,进行必要的计算,才能得出尽量接近实验实际现象的较精确解释。

小问题可能引出大思考,小的实验现象可能引出一个复杂的科研方向,这也许就是化学——这一门以实验为基础的学科,能带给我们的深层乐趣吧。

[修改于 2 年前 - 2017-07-08 11:35:13]

来自 化学与化工
 
1
2017-7-8 23:08:43
1楼
有实验有思考,很棒的帖子
感觉结晶动力学的因素比较大,结晶太慢,以前也见过加热数小时还沉淀不完全的反应
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2楼
严谨,赞一个
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2017-07-13 13:04:49
2017-7-13 13:04:49
3楼
顶你,都曾年少轻狂过。。。那个你现在从事化学行业?
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4楼
为lz的实验精神、严谨的科学精神和善于思考的精神点赞!
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5楼
由此可得:澄清石灰水可能与SO2反应,且此反应不是很灵敏,故不可作为检验SO2,但用作检验CO2应特别注意SO2的干扰。
ps:给你们高中老师通过实验确定结论点个赞,而且公然和高考作对也是666
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TBsoft(作者)
6楼
引用 四中587实验组组长:
顶你,都曾年少轻狂过。。。那个你现在从事化学行业?
有化学工程专业的硕士学位,现在以计算机和电子相关行业为主,化学相关行业现在主要涉及化工自控,但化学实验仍然是业余爱好,已坚持多年。
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2017-07-24 14:12:03
2017-7-24 14:12:03
7楼
好贴 好贴,实验精神和操作都很好,比那些整天yy的人不知道高到哪里去了
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