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氢氧化钙的水溶液和饱和浓度是什么?

时间:2021-04-13 来源:康顺科技

HCO3-⇌H++CO32-(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)

氢氧化钙的水溶液和饱和浓度是什么?

碳酸氢钙少中学化学学习者甚至命题者误导了碳酸氢钙可溶于水这句话。经常在一些质量差的中学化学练习题,甚至考试题中看到碳酸氢钙溶液甚至碳酸氢钙固体的描述。问题是:真的有很浓的碳酸氢钙溶液(我在练习题上看过0.1毫升/升碳酸氢钙溶液等条件),甚至碳酸氢钙固体?
事实上,水溶液中的碳酸氢钙非常不稳定,根本不能高浓度存在,浓度稍高,就会产生分解反应:
Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑
没有高浓度的碳酸氢钙水溶液,也没有固体的碳酸氢钙,碳酸氢镁也类似。Ca2+或Mg2+和HCO3-只能在水溶液中低浓度共存。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本质可视为以下两个步骤:


 

碳酸氢根离子HCO3-在水溶液中产生碳酸根离子CO32-,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-结合成水分子

HCO3-⇌H++CO32-(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)
叠加以上三种反应,即得到以下反应:
2HCO3-⇌CO32-+H2CO3
这种反应是HCO3-在水溶液中转化为CO32-(以及H2CO3)的平衡,平衡常数用K1表示,很明显,K1是上述三种反应平衡常数的乘积,即K1=Ka2*(Kw/Ka1)*(1/Kw)=Ka2/Ka1。
也可以简化以上分析。HCO3-水解的本质是HCO3-与少量H+结合产生弱电解质H2CO3。这里的少量H+是HCO3-电离还是水电离,其实不用担心。如果只需要得到水溶液中HCO3-转化为CO32-和H2CO3的平衡,可以分为以下两个步骤:
HCO3-⇌H++CO32-(碳酸的第二步电离,平衡常数是碳酸的Ka2)
HCO3-+H+H2CO3(碳酸第一步电离反应,平衡常数为碳酸Ka1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)。

上述平衡2HCO3-⇌CO32-+H2CO3使得HCO3-转化为CO32-(以及H2CO3)之后,CO32-再与Ca2+结合生成CaCO3沉淀


Ca2++CO32-⇌CaCO3↓
该反应的平衡常数以K2表示,K2显然是碳酸钙溶度积Ksp的倒数,估计K2=3.00*10^8。
写下以上两个步骤,即水溶液中碳酸氢钙分解的反应:
Ca2++2HCO3-⇌CaCO3↓+H2CO3
K=K1*K2的平衡常数,已经达到了10^4的数量级,这还是暂时不考虑H2CO3分解变成CO2逸出时的简单估算,所以即使不考虑H2CO3在高浓度下会分解,反应向右的趋势已经很大了,只要Ca2+和HCO3-浓度稍大,反应向右就会析出CaCO3沉淀,即水溶液中碳酸氢钙浓度稍高就会分解,如果考虑H2CO3在高浓度下会分解释放出CO2气体,当碳酸氢钙浓度较高时,反应向右就会更完整。
高浓度碳酸氢钙在水中根本不存在,浓度氯化钙溶液与浓度碳酸氢钠溶液混合时发生反应,沉淀白色CaCO3,产生CO2气泡,与碳酸氢钙在水溶液中浓度不高有关。在常温常压下,将洗涤过的CO2(去除可能夹杂的HCl等杂质)放入饱和澄清石灰水(必须饱和)中,可见澄清石灰水变浊,达到最大浊度后继续放入洗涤过的CO2,浊度会降低,即液体变清,但不能得到完全澄清的溶液,原因也与高浓度碳酸氢钙不能放入水溶液中有关。
在水溶液中,只能存在低浓度的碳酸氢钙或碳酸氢镁,或者更严格地说:Ca2+或Mg2+和HCO3-都只能存在于水溶液中,其他许多碳酸正盐溶解度较低的金属离子(主要是某些二价金属离子)也存在类似现象,如Mn2+、Fe2+等也只能存在于低浓度的金属离子(主要是某些二价金属离子)液或NH4HCO3溶液将Mn2+、Fe2+等转化为MnCO3、FeCO3等沉淀(天然菱铁矿的主要成分是FeCO3),而MnSO4溶液与NH4HCO3溶液的反应是工业生产MnCO3的一种方法。
所以,如果把提问者提出的饱和Ca(HCO3)2溶液理解为最大浓度Ca(HCO3)2溶液(实际上是极稀溶液),那么在加入NaHCO3固体aHCO3固体后,水溶液中的HCO3-浓度就会增加,根据勒夏特列原理(平衡移动原理),上述平衡就会向右移动:
Ca2++2HCO3-⇌CaCO3↓+H2CO3
这样就有可能沉淀出CaCO3,但沉淀量应该很小,因为溶液中Ca(HCO3)2或Ca2+的浓度很低。
顺便说一下,虽然碳酸氢钙Ca(HCO3)2在水溶液中不可能高浓度存在,但亚硫酸氢钙Ca(HSO3)2在水溶液中可以高浓度存在,亚硫酸氢钙是造纸工业的重要原料,可以溶解木质素。工业产品Ca(HSO3)2一般制成溶液(多用于造纸时现制现用,将过量的SO2放入石灰乳中),浓度较高,浓度较高的Ca(HSO3)2溶液为黄色,不无色透明,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相似的2HSO3-SO3-+H2SO3平衡外,还存在一种平衡:
2HSO3-⇌S2O52-+H2O
S2O52-是焦亚硫酸根离子,其结构非常特殊,结构为[O-SO-SO2-O]2-,而非[O-SO-O-O]2-,即两个硫原子直接相连,两个硫原子的氧化数(化合价格)实际上是不同的,结构中存在S-S键,S-S键的存在使焦亚硫酸根离子具有颜色,高浓度时更加明显,就像多硫化物具有颜色一样。
焦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,使亚硫酸氢盐具有特殊的稳定性。即使亚硫酸钙是难溶性盐,二氧化硫也很容易逸出亚硫酸氢钙在水溶液中仍能达到相当高的浓度,或者高浓度亚硫酸氢根离子(实际上会转化为焦硫酸根离子)和高浓度钙离子可以在水溶液中共存。

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