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少量多次思维研究石灰石样品

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大家都知道,石灰石、大理石等物质中的主要成份是碳酸钙(CaCO3)和二氧化硅(SiO2)等物质。在化工生产中,是要本着提高产率的原则来采购和加工原材料的,因此需要知道原料的有关数据,比如石灰石中碳酸钙的质量分数(质量百分含量)。那么,怎么获得这些数据呢?在实验室中,大家一般碳酸钙与稀盐酸反应制取二氧化碳的原理(CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O)进行定量研究,不妨一起来品味一下如下几个研究方案。

方案一:取石灰石样品质量为m,与一定量的稀盐酸在烧杯中反应,反应前连同烧杯的总质量为m1,反应后的总质量为m2,则生成的CO2质量是m1—m2,根据CO2与CaCO3的质量关系可求出样品中碳酸钙的质量分数为。问题似乎解决了,其实隐患很多,比如无法确定是否充分反应,或许碳酸钙还没有完全反应(其中的SiO2等杂质不与盐酸反应);或者眼酸严重过量,造成浪费。此案既不科学也不符合绿色化学研究理念。

方案二:将一定量的石灰石样品放入烧杯中,再将100g稀盐酸分4次加入烧杯中,每次均充分反应。实验数据记录如下:

经数据分析,第三次加入盐酸时,固体质量减少不到3g,所以此时碳酸钙已经彻底反应完毕。因为每次溶解3g固体,所以原固体质量为10g,最后剩余2g固体为杂质,所以碳酸钙质量为8g,故碳酸钙质量分数为80%。明眼人此时已看出,这个方案虽然采用了少量多次的研究思维,但是每次固体称量会涉及过滤、烘干等操作,属于理想化设计,基本上不具有可操作性。

方案三:取12.5g样品研碎放入烧杯中,每次加入20.8g稀盐酸后并用电子天平称量,记录实验数据如下:

这项方案去掉了繁琐的实验步骤,只称量总质量,简便易行。根据质量守恒定律分析第2次加酸反应前后质量差为72.2+20.8-91.9=1.1g,第5次反应前后差值为0,说明碳酸钙已经完全反应。把每次差值加和为4.4g,可求出碳酸钙的质量分数为80%。

少量多次实验研究思维既减少了实验步骤,缩小试验误差;又节约药品和准确判断反应进行程度,是化学研究的一种基本素养。

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