问题

向饱和 Ca(HCO₃)₂ 溶液中加入 NaHCO₃ 固体,会生成 CaCO₃ 沉淀吗?

回答
在我看来,向饱和的碳酸氢钙溶液中加入碳酸氢钠固体,并不会直接生成碳酸钙沉淀。让我们来仔细捋一捋其中的化学原理,看看为什么会这样。

首先,我们得清楚什么是“饱和溶液”。饱和 Ca(HCO₃)₂ 溶液意味着,在当前温度下,水中已经溶解了尽可能多的 Ca(HCO₃)₂,再加入 Ca(HCO₃)₂ 固体,它也不会再溶解了。Ca(HCO₃)₂ 在水中是电离成 Ca²⁺ 和 HCO₃⁻ 离子的,并且存在一个溶解平衡。

现在,我们向这个饱和溶液中加入了 NaHCO₃ 固体。NaHCO₃ 是一种可溶性盐,它会电离成 Na⁺ 和 HCO₃⁻ 离子,溶于水中。

关键点在于,NaHCO₃ 的加入,只是增加了溶液中 HCO₃⁻ 离子的浓度。同时,它引入了 Na⁺ 离子。

我们想想生成 CaCO₃ 沉淀的条件。CaCO₃ 是一种难溶物,它的沉淀发生需要溶液中 Ca²⁺ 和 CO₃²⁻ 离子的浓度积超过其溶度积。

所以,我们关注的焦点就落在了 CO₃²⁻ 离子的来源上。

在我们的初始溶液中,虽然有 Ca²⁺ 和 HCO₃⁻ 离子,但并没有直接存在 CO₃²⁻ 离子。HCO₃⁻ 离子(碳酸氢根离子)在溶液中是相对稳定的,它本身并不会轻易地转化为 CO₃²⁻ 离子(碳酸根离子)。

通常情况下,HCO₃⁻ 离子与 CO₃²⁻ 离子之间存在一个平衡:
2HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H₂O + CO₂

这个平衡是受 pH 值影响的。在正常条件下,特别是在一个相对中性的环境中,HCO₃⁻ 离子的比例会远大于 CO₃²⁻ 离子。要生成 CO₃²⁻ 离子,往往需要碱性的环境,或者有其他反应来消耗 HCO₃⁻ 并促使它转化为 CO₃²⁻。

现在,我们加入了 NaHCO₃。NaHCO₃ 本身是一种弱碱性物质,因为它电离出的 HCO₃⁻ 离子会发生部分水解:
HCO₃⁻ + H₂O ⇌ H₂CO₃ + OH⁻
(虽然这个水解程度很小)

但更重要的是,NaHCO₃ 的加入,只是增加了 HCO₃⁻ 的浓度。 HCO₃⁻ 浓度升高,按照勒夏特列原理,可能会稍微地促进 2HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H₂O + CO₂ 这个平衡向生成 CO₃²⁻ 的方向移动。但是,这个移动的幅度非常有限,而且生成的 CO₃²⁻ 浓度会非常非常低。

要形成 CaCO₃ 沉淀,需要溶液中 Ca²⁺ 的浓度乘以 CO₃²⁻ 的浓度,大于 CaCO₃ 的溶度积(Ksp)。

即使加入了 NaHCO₃,使得溶液中的 HCO₃⁻ 浓度有所升高,但要直接生成 CO₃²⁻ 沉淀,这其中的转换效率非常低。Ca²⁺ 离子在溶液中存在,但如果没有足够浓度的 CO₃²⁻ 离子来与其结合,沉淀就不会发生。

换句话说,NaHCO₃ 的加入,主要增加了 HCO₃⁻ 离子的浓度。而 CaCO₃ 的沉淀需要 CO₃²⁻ 离子,而不是 HCO₃⁻ 离子。HCO₃⁻ 想要变成 CO₃²⁻,需要脱去一个质子,这在溶液中本身就是一个平衡过程,并且在非强碱性条件下,CO₃²⁻ 的浓度是极低的。

因此,仅仅是向饱和的碳酸氢钙溶液中加入碳酸氢钠固体,并不能显著提高溶液中 CO₃²⁻ 离子的浓度,也就不足以达到生成 CaCO₃ 沉淀的条件。

除非,你加入 NaHCO₃ 的量非常巨大,大到可以改变溶液的 pH 值,使其变得碱性,这样才可能通过促进 2HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H₂O + CO₂ 平衡,或者通过 NaHCO₃ 本身的微弱水解产生少量 OH⁻ 来提高 CO₃²⁻ 的浓度。但即便如此,NaHCO₃ 本身就是一个缓冲体系,很难让溶液变得很强碱性。

总结一下:

1. CaCO₃ 沉淀的形成需要 Ca²⁺ 和 CO₃²⁻ 离子。
2. 饱和 Ca(HCO₃)₂ 溶液中含有 Ca²⁺ 和 HCO₃⁻ 离子。
3. 加入 NaHCO₃ 固体,主要增加了溶液中 HCO₃⁻ 离子的浓度,并引入了 Na⁺ 离子。
4. HCO₃⁻ 离子和 CO₃²⁻ 离子之间存在一个转化平衡,但 CO₃²⁻ 的浓度在通常情况下非常低。
5. 仅仅增加 HCO₃⁻ 浓度,不足以显著提高 CO₃²⁻ 浓度,从而不足以形成 CaCO₃ 沉淀。

所以,我的结论是:不会生成 CaCO₃ 沉淀。

网友意见

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(20210103补充修改)


“碳酸氢钙可溶于水”这一句话不知道误导了多少中学化学学习者,甚至命题者。经常在一些质量不好的中学化学练习题,甚至考试题中看到“碳酸氢钙溶液”甚至“碳酸氢钙固体”这样的描述,问题是:真的存在较浓的碳酸氢钙溶液(笔者曾经在练习题上看到过“0.1mol/L碳酸氢钙溶液”这样的条件),甚至碳酸氢钙固体吗?


实际上,水溶液中的碳酸氢钙很不稳定,根本不能高浓度存在,浓度稍高,碳酸氢钙就会发生分解反应:


Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + H2O + CO2↑


不存在高浓度的碳酸氢钙水溶液,更不存在固体的碳酸氢钙,碳酸氢镁也与之类似,Ca2+或者Mg2+与HCO3-都只能低浓度在水溶液中共存。可以以碳酸氢钙为例,用高中化学知识简单估算一下,碳酸氢钙分解反应的实质可看作以下两步反应:


1、碳酸氢根离子HCO3-在水溶液中产生碳酸根离子CO3 2-,注意HCO3-在水溶液中同时存在电离和水解,电离产生的H+和水解产生的OH-又会结合成为水分子,因此存在下列三个可逆反应:


HCO3- ⇌ H+ + CO3 2-(HCO3-的电离,即碳酸的第二步电离,电离平衡常数是碳酸的Ka2)

HCO3- + H2O ⇌ H2CO3 + OH-(HCO3-的水解,水解平衡常数是水的离子积Kw与碳酸Ka1之商)

H+ + OH- ⇌ H2O(水电离的逆反应,平衡常数显然是水的离子积Kw的倒数)


将上述三个反应叠加起来,即得下列反应:


2HCO3- ⇌ CO3 2- + H2CO3


此反应就是HCO3-在水溶液中转化为CO3 2-(以及H2CO3)的平衡,平衡常数用K1表示,显然K1是上述三个反应平衡常数的乘积,即K1=Ka2*(Kw/Ka1)*(1/Kw)=Ka2/Ka1。


也可以将上述分析简化一点,HCO3-在水中的水解,本质是HCO3-与少量H+结合生成弱电解质H2CO3,这里的“少量H+”是来自HCO3-的电离,还是来自水的电离,实际上无需关心,如果只需要得到水溶液中HCO3-转化为CO3 2-和H2CO3的平衡,拆成以下两步反应即可:


HCO3- ⇌ H+ + CO3 2-(碳酸的第二步电离,平衡常数是碳酸的Ka2)

HCO3- + H+ ⇌ H2CO3(碳酸第一步电离的逆反应,平衡常数是碳酸Ka1的倒数)


K1=Ka2*(1/Ka1)=Ka2/Ka1,殊途同归,K1就等于碳酸的Ka2/Ka1,估算K1≈1.30*10^(-4)。


2、上述平衡2HCO3- ⇌ CO3 2- + H2CO3使得HCO3-转化为CO3 2-(以及H2CO3)之后,CO3 2-再与Ca2+结合生成CaCO3沉淀:


Ca2+ + CO3 2- ⇌ CaCO3↓


这一反应的平衡常数用K2表示,K2显然是碳酸钙溶度积Ksp的倒数,估算K2≈3.00*10^8。


将上述两步反应合写起来,就是水溶液中碳酸氢钙分解的反应:


Ca2+ + 2HCO3- ⇌ CaCO3↓ + H2CO3


平衡常数K=K1*K2,已经在10^4数量级了,这还是暂时不考虑H2CO3分解变成CO2逸出的情况下进行的简单估算,因此就算不考虑H2CO3在高浓度下会分解,反应向右进行的趋势已经相当大,只要溶液中Ca2+和HCO3-浓度稍大,反应向右进行就会析出CaCO3沉淀,也就是水溶液中碳酸氢钙浓度稍高就会分解,如果考虑H2CO3在高浓度下会分解放出CO2气体,碳酸氢钙浓度较高时,反应向右进行会更加完全。


高浓度的碳酸氢钙在水中根本就不存在,较浓的氯化钙溶液和较浓的碳酸氢钠溶液混合时会发生反应,析出白色CaCO3沉淀,以及冒出CO2气泡,就与碳酸氢钙在水溶液中不能高浓度存在相关。常温常压下,将水洗过的CO2(除去可能夹杂的HCl等杂质)通入饱和澄清石灰水(一定要饱和)中,可见澄清石灰水变浑浊,达到最大浑浊度后继续通入水洗过的CO2,浑浊度会下降,也就是说液体变清,但无法得到完全澄清的溶液,原因也与高浓度碳酸氢钙不能在水溶液中存在有关。


水溶液中,只能存在很低浓度的碳酸氢钙或者碳酸氢镁,或者用更严格的说法:Ca2+或者Mg2+与HCO3-都只能以很低的浓度在水溶液中共存,其它很多碳酸正盐溶解度很低的金属离子(主要是某些二价金属离子)也有类似现象,例如Mn2+、Fe2+等也只能与HCO3-在水溶液中低浓度共存,因此可以用NaHCO3溶液或者NH4HCO3溶液将Mn2+、Fe2+等转化为MnCO3、FeCO3等沉淀(天然的菱铁矿主要成分就是FeCO3),MnSO4溶液与NH4HCO3溶液的反应是工业制备MnCO3的一种方法。


因此,如果将提问者提出的“饱和Ca(HCO3)2溶液”理解为“水溶液中可以存在的最大浓度Ca(HCO3)2溶液(实际上是极稀的溶液)”,那么加入NaHCO3固体后,水溶液中HCO3-浓度增加,根据勒夏特列原理(平衡移动原理),上面提到的平衡就会向右移动:


Ca2+ + 2HCO3- ⇌ CaCO3↓ + H2CO3


这样一来就有可能析出CaCO3沉淀,但沉淀量应该是很微小的,因为溶液中Ca(HCO3)2或者Ca2+的浓度很低。


顺便说说,虽然碳酸氢钙Ca(HCO3)2在水溶液中不可能以高浓度存在,但亚硫酸氢钙Ca(HSO3)2在水溶液中是可以达到很高浓度的,亚硫酸氢钙是造纸工业中的重要原料,可以溶解木质素。工业品Ca(HSO3)2一般制成溶液(多在造纸时现制现用,将过量SO2通入石灰乳),可达相当高的浓度,浓的Ca(HSO3)2溶液是黄色的,并非无色透明,这是因为亚硫酸氢根离子HSO3-存在二聚反应,除了与碳酸氢根离子类似的2HSO3- ⇌ SO3 2- + H2SO3平衡存在之外,还存在一个平衡:


2HSO3- ⇌ S2O5 2- + H2O


S2O5 2-是焦亚硫酸根离子,这种离子的结构很特殊,结构是[O—SO—SO2—O]2-,而不是[O—SO—O—SO—O]2-,也就是说两个硫原子是直接相连的,两个硫原子的氧化数(化合价)实际不同,结构中存在S—S键,S—S键的存在使得焦亚硫酸根离子带有颜色,高浓度时更明显,如同多硫化物带有颜色一样。


焦亚硫酸根离子的生成,降低了高浓度亚硫酸氢盐溶液中HSO3-的浓度,使得亚硫酸氢盐具有特殊的稳定性,即使亚硫酸钙是难溶盐,二氧化硫又容易逸出,亚硫酸氢钙在水溶液中仍然可以达到相当高的浓度,或者说高浓度亚硫酸氢根离子(实际会转化为焦亚硫酸根离子)和高浓度钙离子可以在水溶液中共存。

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