Question

天然水中一般都溶有Ca（HCO₃）₂、Mg（HCO₃）₂等物質，在加熱條件下，這些溶解的物質會變成溶解度更小的堿和碳酸鹽等其它物質，所以熱水壺中常會形成由堿和碳酸鹽等組成的水垢．某研究性學習小組的同學對水垢的成分進行了如下研究．
【研究課題】探究熱水壺底部水垢的主要成分
【查閱資料】該小組同學通過查閱資料知道，天然水中一般都含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等離子，在加熱條件下，這些離子趨于生成溶解度更小的物質--水垢（主要成分為碳酸鹽、堿等的混合物）．同時，他們還查閱到下列有關物質的溶解性：

物  質	Ca（HCO3）2	Mg（HCO3）2	Ca（OH）2	Mg（OH）2	CaCO3	MgCO3
溶解性	可溶	可溶	微溶	不溶	不溶	微溶

【提出猜想】水垢的主要成分一定含有Mg（OH）₂和CaCO₃，可能含有Ca（OH）₂和

 

．
【設計方案】（1）甲同學對是否含有Ca（OH）₂進行了實驗，請你幫他完成實驗報告：

實驗操作	實例現象	實驗結論
		水垢中無Ca（OH）2

（2）乙同學設計如圖1所示的裝置，利用一定量的水垢與足量的稀鹽酸反應，待產生氣泡停止后，測量B裝置增加的質量，從而推出混合物的組成．這種方案受到丙同學的反對，其反對的理由是

 

．

（3）丁同學將裝置進行了改進，采用圖2所示裝置進行實驗．其主要實驗步驟如下：
①按圖組裝儀器，將25g水垢試樣放入燒瓶中，加入足量鹽酸溶液；
②測量一定時間內C裝置增加的質量；
③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；
④再次稱量C裝置增加的質量；
⑤重復③和④的操作，直至C裝置中物質質量不變；
⑥測得C裝置增加的質量為12g．
①B、E裝置中所盛試劑分別為

 

．
②待燒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，其目的是

 

．
【實驗結論】根據上述信息你認為該水垢的成分是

 

（寫化學式）

Answer 1

分析：提出猜想：水垢主要成分為不溶性或微溶性的碳酸鹽、堿等的混合物；結合溶解性表，分析表中不溶或微溶物，對水垢成分進行猜想；
設計方案：（1）利用氫氧化鈣能與可溶性碳酸鹽生成不溶性的碳酸鈣沉淀，可采取滴加碳酸鈉溶液的方法檢驗清液中是否含有氫氧化鈣；
（2）圖1所示的裝置不夠嚴謹，會出現誤差不能正確推出混合物的組成；
（3）可利用碳酸鹽能與稀鹽酸反應放出氣體二氧化碳，通過干燥管內物質增加的質量測定水垢與足量稀鹽酸充分反應后所放出二氧化碳的量，根據化學方程式進行計算，判斷水垢中碳酸鹽的組成；
實驗結論：綜合整個探究過程，得出水垢主要成分的結論．

解答：解：提出猜想：根據查閱到有關物質的溶解性表，氫氧化鎂和碳酸鈣不溶，而氫氧化鈣和碳酸鎂微溶，因此，猜想水垢中一定含有不溶的氫氧化鎂和碳酸鈣，可能含有微溶的氫氧化鈣和碳酸鎂；
故答案為：MgCO₃；
設計方案：（1）為檢驗氫氧化鈣，取上層清液加入碳酸鈉溶液，無白色沉淀出現，說明所取上層清液中不含氫氧化鈣；
故答案為：Na₂CO₃溶液；
（2）圖1所示的裝置不夠嚴密，錐形瓶中還有剩余氣體出不來，沒與B中的溶液反應；會出現誤差不能正確推出混合物的組成；
（3）①圖2裝置B中盛放的是濃硫酸可以吸收生成的二氧化碳氣體中混有的水，避免水對氣體質量的測定產生影響；裝置E中盛放的氫氧化鈉溶液可除去空氣中的二氧化碳，避免在鼓入空氣時空氣中的二氧化碳影響對反應生成二氧化碳質量測定；
故答案為：濃硫酸，氫氧化鈉溶液；
②待燒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，其目的是：把A裝置中燒瓶中剩余的二氧化碳氣體趕盡；
干燥管內堿石灰因吸收二氧化碳而質量增加，干燥管增加的質量即為二氧化碳氣體的質量；根據測量結果所得曲線，最終產生二氧化碳質量為12g；
假設25g水垢全部為碳酸鈣或碳酸鎂，完全反應放出二氧化碳的質量分別為x、y
CaCO₃～CO₂
100    44
25g     x 

100

25g

=

44

x

x=11g＜12g，因此水垢不能全部為碳酸鈣；
MgCO₃～CO₂
84     44
25g    y 

84

25g

=

44

y

y≈26.2g＞12g，因此水垢一定含有碳酸鎂；
實驗結論：根據甲同學的實驗，該水垢樣品中一定不含氫氧化鈣；根據乙同學的實驗探究，該水垢樣品中一定含碳酸鎂；因此，水垢的主要成分應為氫氧化鎂、碳酸鈣和碳酸鎂的混合物；
故答案為：Mg（OH）₂、CaCO₃、MgCO₃．

點評：根據裝置的特點及裝置中所盛放藥品的性質，對裝置的作用進行理解，是解決給出實驗裝置類探究問題的一個重要手段．