化学:2011年浙江理综卷13题点评
海水中含有丰富的镁资源。某同学设计了从模拟海水中制备MgO的实验方案:
模拟海水中的 离子浓度/mol·L-1 | Na+ | Mg2+ | Ca2+ | Cl- | HCO3- |
0.439 | 0.050 | 0.011 | 0.560 | 0.001 |
注:溶液中某种离子的浓度小于1.0×10-5mol/L,可认为该离子不存在;实验过程中,假设溶液体积不变。
已知:Ksp(CaCO3)=4.96×10-9;Ksp(MgCO3)=6.82×10-6;Ksp[Ca(OH)2]=4.68×10-6;Ksp[Mg(OH)2]=5.61×10-12。
下列说法正确的是()
A.沉淀物X为CaCO3
B.滤液M中存在Mg2+,不存在Ca2+
C.滤液N中存在Mg2+、Ca2+
D.步骤②中若改为加入4.2 gNaOH固体,沉淀物Y为Ca(OH)2和Mg(OH)2的混合物
【答案】A
【解析】考场上学生可以单刀直入,简化思维:根据实验目的,不难确定沉淀Y为Mg(OH)2,模拟海水中的阳离子只有三种,而Na+不可能形成沉淀,故沉淀X中必含Ca2+,在1.0L模拟海水中加入1.0mL1.0mol·L-1的NaOH溶液后,c(OH-)近似为10-3mol·L-1,而模拟海水中c(Ca2+)为0.011mol·L-1,Qi[Ca(OH)2]=c(Ca2+)c2(OH-)=1.10×10-8<Ksp[Ca(OH)2]=4.68×10-6,所以不可能形成Ca(OH)2沉淀,只能形成CaCO3沉淀,故A对。
究其原因,还须借助计算才能判断正误:
往1.0L模拟海水加入的OH-与模拟海水中的HCO3-发生反应:OH-+=CO32-
+H2O,使得溶液中c(CO32-)为10-3mol·L-1,则Qi(CaCO3)=c(Ca2+)c(CO32-)=1.10×10-5>Ksp(CaCO3)=4.96×10-9,所以沉淀物X为CaCO3,n(CaCO3)=10-3mol,此时滤液M中残存的c(Ca2+)=0.011mol·L-1-10-3mol·L-1=0.010mol·L-1>1.0×10-5mol/L,不能认为
Ca2+不存在;所以A项正确、B项错误。
在滤液M中加NaOH固体,形成沉淀Y,调节溶液pH到11.0后,过滤,滤液N中
c(OH-)=10-3mol·L-1,再次运用溶度积规则判断Mg2+、Ca2+能否形成沉淀:Qi[Mg(OH)2]=c(Mg2+)c2(OH-)=5.0×10-8>Ksp[Mg(OH)2]=5.61×10-12,所以Y是Mg(OH)2,Qi[Ca(OH)2]=c(Ca2+)c2(OH-)=0.010×(10-3)2=10-6<Ksp[Ca(OH)2]=4.68×10-6,所以不可能形成Ca(OH)2沉淀,滤液N中存在Ca2+,形成Mg(OH)2后,此时溶液中c(Mg2+)与c(OH-)须满足沉淀溶解平衡关系式:c(Mg2+)c2(OH-)=Ksp[Mg(OH)2]=5.61×10-12,即c(Mg2+)×(10-3)2=5.6×10-12,解得c(Mg2+)=5.6×10-6<10-5,可认为Mg2+无剩余。C项错误。
加入4.2 gNaOH固体,c(OH-)=0.105mol·L-1,c(Mg2+)=0.050mol/L,c(Ca2+)=0.010mol/L,因从Ksp值来看,Mg(OH)2比Ca(OH)2更小,故若有沉淀生成,应先生成Mg(OH)2沉淀,试判断如下:Qi[Mg(OH)2]=c(Mg2+)c2(OH-)=0.050×(0.105)2>Ksp[Mg(OH)2]=5.61×10-12,所以生成Mg(OH)2沉淀
Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2↓
0.050mol·L-1 0.105mol·L-1
n[Mg(OH)2]=0.050mol,剩余OH-0.005 mol,
Qi[Ca(OH)2]=c(Ca2+)c2(OH-)=0.010×(0.005)2=2.5×10-7<Ksp[Ca(OH)2]=4.68×10-6,所以无Ca(OH)2析出。D项错误。
【点评】
此题有两处学生极容易混淆:
(1)有学生这样认为:往1.0L模拟海水中加入1.0mL1.0mol·L-1的NaOH溶液后,Qi[Mg(OH)2]=c(Mg2+)c2(OH-)=5.0×10-8>Ksp[Mg(OH)2]=5.61×10-12,所以沉淀X是Mg(OH)2,殊不知,Mg(OH)2虽难溶,但碱性可视为中强碱,在HCO3-存在时,能使Mg(OH)2沉淀溶解平衡Mg(OH)2(s)Mg2+(aq)+2OH-(aq)不断右移,最终Mg(OH)2沉淀溶解,生成的CO32-足以让Ca2+沉淀。
(2)在判断第二次沉淀后,Mg2+有没有沉淀完全时,有不少学生错误地认为:在加入NaOH固体调至pH=11.0后,Mg2+才开始沉淀,则有如下错误的计算过程:
c(Mg2+)=0.050 mol/L,c(OH-)=10-3mol·L-1,
Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2↓
0.050mol·L-1 10-3mol·L-1
所以,n[Mg(OH)2]=5.0×10-4 mol。
形成Mg(OH)2沉淀的过程中Mg2+过量,滤液N中残存的Mg2+近似为0.0495mol·L-1,远大于10-5mol/L,所以不能认为Mg2+沉淀完全,滤液N中还有Mg2+,这样一来,C也貌似正确,于是在A与C之间摇摆不定,浪费了大量时间。其实这是一种思维僵化的表现,溶液中的离子反应是一触即发的,不可能是先使c(OH-)=10-3mol·L-1,然后Mg2+才开始形成沉淀的。造成以上误解的原因是步骤①中加NaOH的方式与步骤②中加NaOH的方式不一样,考生容易把步骤①的情形负迁移到步骤②中。当然,从另一个侧面也反映出题面信息也可以表达得更清晰,比如把“pH=11.0”字样写在滤液N处,可能误解的同学就少很多了。