Question

5．探究水壺內部水垢的主要成分
小花和小紅同學非常善于進行實驗探究，他們發(fā)現(xiàn)長期使用的熱水壺底部有一層水垢，小花想這層水垢的主要成分是什么？圍繞這個問題，他們展開了探究，請你也參入到他們的學習過程，并協(xié)助完成相關任務．
【提出問題】熱水壺底部水垢的主要成分是什么？
【查閱資料】通過查閱資料知道，天然水和水垢所含的物質及其溶解性如下表：

物質	Ca（HCO3）2	Mg（HCO3）2	Ca（0H）2	Mg（0H）2	CaCO3	MgCO3
溶解性	可溶	可溶	微溶	不溶	不溶	微溶

【提出猜想】通過分析，他們認為水垢的主要成分中一定含有Mg（0H）₂和CaCO₃（寫化學式，下同），可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃．
【設計方案，進行實驗】
（1）小花在燒杯中放入少量研碎的水垢，加入適量蒸餾水充分攪拌，靜置．取上層清液滴入Na₂CO₃溶液，如果沒有白色沉淀生成，說明水垢中不含有Ca（0H）₂（填化學式）．
（2）欲證明水垢中含有碳酸鹽的實驗方法是取少量水垢于試管中，向試管中加入稀鹽酸，有氣泡產生，把生成的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁．
（3）為了進一步確定水垢中含有碳酸鹽的成分，他們設計了如圖1實驗裝置．

Ⅰ．小花和小紅的主要實驗步驟如下：
①按上圖所示組裝儀器，將50g水垢試樣放入錐形瓶中，逐滴加入足量稀鹽酸．
②待錐形瓶中不再產生氣泡時，打開活塞b，從導管a處緩緩鼓入一定量的空氣．
③稱量D瓶內物質增加的質量．
④重復②和③的操作，直至D瓶內物質的質量不變．
經過上述實驗，他們測量滴加稀鹽酸的體積與
D瓶內物質增加質量的關系如圖2曲線所示．
Ⅱ．小花和小紅另取50g碳酸鈣放入錐形瓶中，利用上述裝置，重復Ⅰ中①～④的操作，稱量D瓶內物質增加的質量是22g．
【實驗評價】
（1）A瓶中的NaOH溶液起到吸收空氣中二氧化碳的作用．若A瓶中無NaOH溶液，D瓶中的質量將增大（填“增大”、“不變”或“減小”），D瓶中發(fā)生反應的化學方程式為2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O．C瓶中濃硫酸的作用是除去二氧化碳氣體中的水蒸氣．
（2）在實驗Ⅰ與Ⅱ中，小花、小紅運用了化學實驗中的對比試驗方法．
（3）一般情況下，兩種不同金屬形成的碳酸鹽與足量鹽酸反應時，若兩種金屬的化合價相同、兩種鹽的質量相同，則相對分子質量小者放出的氣體多．分析實驗Ⅰ與Ⅱ可知，水垢中一定含有MgCO₃（填化學式），理由是50g碳酸鈣與鹽酸反應放出二氧化碳22g，而50g水垢與鹽酸反應實際生成二氧化碳的質量是24g，大于22g，所以水垢中一定含有碳酸鎂．
（4）以上實驗不能（填“能夠”或“不能”） 檢測出水垢中是否含有Mg（OH）₂．
【拓展延伸】
小花和小紅從化學課上得知大理石的主要成分也是碳酸鈣，為了探究大理石中碳酸鈣的含量，兩位同學另取20g大理石樣品放入錐形瓶中，同樣利用上述裝置，重復Ⅰ中①～④的操作，稱量D瓶內物質增加的質量是4.4g．請根據(jù)題目中提供的數(shù)據(jù)，計算大理石樣品中碳酸鈣的質量分數(shù)．

Answer 1

分析 【提出猜想】
根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)可以判斷水垢的組成；
碳酸鈉和氫氧化鈣反應生成白色沉淀碳酸鈣和氫氧化鈉；
碳酸鹽能和稀鹽酸反應生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體二氧化碳；
【實驗評價】
氫氧化鈉能夠吸收二氧化碳，并且能和二氧化碳反應生成碳酸鈉和水；
濃硫酸具有吸水性，可以用作氫氣、氧氣、二氧化碳等氣體的干燥劑；
根據(jù)提供的信息可以進行相關方面的判斷．
【拓展延伸】根據(jù)二氧化碳的質量進行計算碳酸鈣的質量，進一步計算大理石樣品中碳酸鈣的質量分數(shù)．

解答 解：【提出猜想】
通過分析知道，氫氧化鎂和碳酸鈣都不溶于水，氫氧化鈣和碳酸鎂都微溶于水，因此水垢的主要成分中一定含有Mg（0H）₂和CaCO₃，可能含有Ca（OH）₂和MgCO₃．
故填：CaCO₃；MgCO₃．
【設計方案，進行實驗】
（1）取上層清液滴入Na₂CO₃溶液，如果沒有白色沉淀生成，說明水垢中不含有Ca（0H）₂．
故填：Ca（0H）₂．
（2）欲證明水垢中含有碳酸鹽的實驗方法是：取少量水垢于試管中，向試管中加入稀鹽酸，有氣泡產生，把生成的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁．
故填：取少量水垢于試管中，向試管中加入稀鹽酸，有氣泡產生，把生成的氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁．
【實驗評價】
（1）A瓶中的NaOH溶液起到吸收空氣中二氧化碳的作用；
若A瓶中無NaOH溶液，空氣中的部分二氧化碳會被氫氧化鈉溶液吸收，會導致D瓶中的質量增大；
D瓶中發(fā)生反應的化學方程式為：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O；
C瓶中濃硫酸的作用是除去二氧化碳氣體中的水蒸氣．
故填：吸收空氣中二氧化碳的；增大；2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O；除去二氧化碳氣體中的水蒸氣．
（2）在實驗I與II中，小花、小紅運用了化學實驗中的對比試驗方法．
故填：對比試驗．
（3）因為50g碳酸鈣與鹽酸反應放出二氧化碳22g，而50g水垢與鹽酸反應實際生成二氧化碳的質量是24g，大于22g，所以水垢中一定含有碳酸鎂．
故填：MgCO₃；50g碳酸鈣與鹽酸反應放出二氧化碳22g，而50g水垢與鹽酸反應實際生成二氧化碳的質量是24g，大于22g，所以水垢中一定含有碳酸鎂．
（4）以上實驗不能檢測出水垢中是否含有Mg（OH）₂．
故填：不能．
【拓展延伸】
設：樣品中碳酸鈣的質量為X
CaCO₃+2HCl═CaCl₂+H₂O+CO₂↑
100                   44
X                    4.4g
$\frac{100}{X}$=$\frac{44}{4.4g}$
 解得：X=10g
大理石樣品中碳酸鈣的質量分數(shù)是：$\frac{10g}{20g}$×100%=50%
答：大理石樣品中碳酸鈣的質量分數(shù)是50%

點評 合理設計實驗，科學地進行實驗、分析實驗，是得出正確實驗結論的前提，因此要學會設計實驗、進行實驗、分析實驗，為學好化學知識奠定基礎