题目
称取某混合碱试样2.000 g,用水溶解后,以酚酞为指示剂,用0.5000 mol·L⁻¹ HCl标准溶液滴定至终点,消耗12.00 mL;再加入甲基橙指示剂,继续用同一HCl标准溶液滴定至终点,又消耗20.00 mL。试判断试样的组成,并计算各组分的质量分数。已知 M(NaOH)=40.00 g·mol⁻¹, M(Na₂CO₃)=106.0 g·mol⁻¹, M(NaHCO₃)=84.01 g·mol⁻¹。
称取某混合碱试样2.000 g,用水溶解后,以酚酞为指示剂,用0.5000 mol·L⁻¹ HCl标准溶液滴定至终点,消耗12.00 mL;再加入甲基橙指示剂,继续用同一HCl标准溶液滴定至终点,又消耗20.00 mL。试判断试样的组成,并计算各组分的质量分数。已知
M(NaOH)=40.00 g·mol⁻¹,
M(Na₂CO₃)=106.0 g·mol⁻¹,
M(NaHCO₃)=84.01 g·mol⁻¹。
题目解答
答案
根据双指示剂法:
1. 第一阶段 $ V_1 = 12.00 \, \text{mL} $,对应 $ n(\text{Na}_2\text{CO}_3) = 0.006000 \, \text{mol} $。
2. 第二阶段 $ V_2 = 20.00 \, \text{mL} $,对应 $ n(\text{NaHCO}_3) = n_2 - n_1 = 0.004000 \, \text{mol} $。
3. 计算质量:
\[
m(\text{Na}_2\text{CO}_3) = 0.006000 \, \text{mol} \times 106.0 \, \text{g·mol}^{-1} = 0.6360 \, \text{g}
\]
\[
m(\text{NaHCO}_3) = 0.004000 \, \text{mol} \times 84.01 \, \text{g·mol}^{-1} = 0.3360 \, \text{g}
\]
4. 质量分数:
\[
\omega(\text{Na}_2\text{CO}_3) = \frac{0.6360}{2.000} \times 100\% = 31.80\%
\]
\[
\omega(\text{NaHCO}_3) = \frac{0.3360}{2.000} \times 100\% = 16.80\%
\]
结论:试样由Na$_2$CO$_3$和NaHCO$_3$组成,质量分数分别为31.80%和16.80%。
解析
本题考查混合碱的组成判断及各组分质量分数的计算,解题思路是利用双指示剂法,根据酚酞和甲基橙作指示剂时消耗HCl标准溶液的体积关系判断混合碱的组成,再通过化学反应的计量关系计算各组分的物质的量,进而计算其质量和质量分数。
- 判断混合碱的组成:
- 双指示剂法中,以酚酞为指示剂时,发生的反应为$NaOH + HCl = NaCl + H_2O$,$Na_2CO_3 + HCl = NaHCO_3 + NaCl$,消耗HCl溶液体积为$V_1$;再加入甲基橙指示剂,发生的反应为$NaHCO_3 + HCl = NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$,消耗HCl溶液体积为$V_2$。
- 已知$V_1 = 12.00\ mL$,$V_2 = 20.00\ mL$,因为$V_2 > V_1$,所以混合碱的组成为$Na_2CO_3$和$NaHCO_3$。
- 计算$Na_2CO_3$的物质的量和质量:
- 在第一阶段,$Na_2CO_3$与$HCl$反应生成$NaHCO_3$,根据反应的化学计量关系$n(Na_2CO_3)=n_1(HCl)$,其中$n_1(HCl)=c(HCl)\times V_1$。
- 已知$c(HCl)=0.5000\ mol\cdot L^{-1}$,$V_1 = 12.00\ mL = 0.012\ L$,则$n(Na_2CO_3)=0.5000\ mol\cdot L^{-1}\times0.012\ L = 0.006000\ mol$。
- 根据$m = n\times M$,可得$m(Na_2CO_3)=n(Na_2CO_3)\times M(Na_2CO_3)$,已知$M(Na_2CO_3)=106.0\ g\cdot mol^{-1}$,则$m(Na_2CO_3)=0.006000\ mol\times106.0\ g\cdot mol^{-1}=0.6360\ g$。
- 计算$NaHCO_3$的物质的量和质量:
- 第二阶段消耗的$HCl$用于与第一阶段生成的$NaHCO_3$以及原混合碱中的$NaHCO_3$反应。
- 第一阶段生成的$NaHCO_3$的物质的量等于$Na_2CO_3$的物质的量,即$0.006000\ mol$,消耗$HCl$的物质的量也为$0.006000\ mol$。
- 第二阶段消耗$HCl$的物质的量$n_2(HCl)=c(HCl)\times V_2 = 0.5000\ mol\cdot L^{-1}\times0.020\ L = 0.01000\ mol$。
- 那么原混合碱中$NaHCO_3$的物质的量$n(NaHCO_3)=n_2(HCl)-n(Na_2CO_3)=0.01000\ mol - 0.006000\ mol = 0.004000\ mol$。
- 根据$m = n\times M$,可得$m(NaHCO_3)=n(NaHCO_3)\times M(NaHCO_3)$,已知$M(NaHCO_3)=84.01\ g\cdot mol^{-1}$,则$m(NaHCO_3)=0.004000\ mol\times84.01\ g\cdot mol^{-1}=0.3360\ g$。
- 计算各组分的质量分数:
- 根据$\omega=\frac{m}{m_{总}}\times100\%$,可得$\omega(Na_2CO_3)=\frac{m(Na_2CO_3)}{m_{总}}\times100\%=\frac{0.6360\ g}{2.000\ g}\times100\% = 31.80\%$。
- $\omega(NaHCO_3)=\frac{m(NaHCO_3)}{m_{总}}\times100\%=\frac{0.3360\ g}{2.000\ g}\times100\% = 16.80\%$。