Question

天然水中一般都溶有Ca（HCO₃）₂、Mg（HCO₃）₂等物质，在加热条件下，这些溶解的物质会变成溶解度更小的碱和碳酸盐等其它物质，所以热水壶中常会形成由碱和碳酸盐等组成的水垢．某研究性学习小组的同学对水垢的成分进行了如下研究．
【研究课题】探究热水壶底部水垢的主要成分
【查阅资料】该小组同学通过查阅资料知道，天然水中一般都含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等离子，在加热条件下，这些离子趋于生成溶解度更小的物质--水垢（主要成分为碳酸盐、碱等的混合物）．同时，他们还查阅到下列有关物质的溶解性：

物  质	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

 

．
【设计方案】（1）甲同学对是否含有Ca（OH）₂进行了实验，请你帮他完成实验报告：

实验操作	实例现象	实验结论
		水垢中无Ca（OH）2

（2）乙同学设计如图1所示的装置，利用一定量的水垢与足量的稀盐酸反应，待产生气泡停止后，测量B装置增加的质量，从而推出混合物的组成．这种方案受到丙同学的反对，其反对的理由是

 

．

（3）丁同学将装置进行了改进，采用图2所示装置进行实验．其主要实验步骤如下：
①按图组装仪器，将25g水垢试样放入烧瓶中，加入足量盐酸溶液；
②测量一定时间内C装置增加的质量；
③待锥形瓶中不再产生气泡时，打开活塞b，从导管a处缓缓鼓入一定量的空气；
④再次称量C装置增加的质量；
⑤重复③和④的操作，直至C装置中物质质量不变；
⑥测得C装置增加的质量为12g．
①B、E装置中所盛试剂分别为

 

．
②待烧瓶中不再产生气泡时，打开活塞b，从导管a处缓缓鼓入一定量的空气，其目的是

 

．
【实验结论】根据上述信息你认为该水垢的成分是

 

（写化学式）

Answer 1

分析：提出猜想：水垢主要成分为不溶性或微溶性的碳酸盐、碱等的混合物；结合溶解性表，分析表中不溶或微溶物，对水垢成分进行猜想；
设计方案：（1）利用氢氧化钙能与可溶性碳酸盐生成不溶性的碳酸钙沉淀，可采取滴加碳酸钠溶液的方法检验清液中是否含有氢氧化钙；
（2）图1所示的装置不够严谨，会出现误差不能正确推出混合物的组成；
（3）可利用碳酸盐能与稀盐酸反应放出气体二氧化碳，通过干燥管内物质增加的质量测定水垢与足量稀盐酸充分反应后所放出二氧化碳的量，根据化学方程式进行计算，判断水垢中碳酸盐的组成；
实验结论：综合整个探究过程，得出水垢主要成分的结论．

解答：解：提出猜想：根据查阅到有关物质的溶解性表，氢氧化镁和碳酸钙不溶，而氢氧化钙和碳酸镁微溶，因此，猜想水垢中一定含有不溶的氢氧化镁和碳酸钙，可能含有微溶的氢氧化钙和碳酸镁；
故答案为：MgCO₃；
设计方案：（1）为检验氢氧化钙，取上层清液加入碳酸钠溶液，无白色沉淀出现，说明所取上层清液中不含氢氧化钙；
故答案为：Na₂CO₃溶液；
（2）图1所示的装置不够严密，锥形瓶中还有剩余气体出不来，没与B中的溶液反应；会出现误差不能正确推出混合物的组成；
（3）①图2装置B中盛放的是浓硫酸可以吸收生成的二氧化碳气体中混有的水，避免水对气体质量的测定产生影响；装置E中盛放的氢氧化钠溶液可除去空气中的二氧化碳，避免在鼓入空气时空气中的二氧化碳影响对反应生成二氧化碳质量测定；
故答案为：浓硫酸，氢氧化钠溶液；
②待烧瓶中不再产生气泡时，打开活塞b，从导管a处缓缓鼓入一定量的空气，其目的是：把A装置中烧瓶中剩余的二氧化碳气体赶尽；
干燥管内碱石灰因吸收二氧化碳而质量增加，干燥管增加的质量即为二氧化碳气体的质量；根据测量结果所得曲线，最终产生二氧化碳质量为12g；
假设25g水垢全部为碳酸钙或碳酸镁，完全反应放出二氧化碳的质量分别为x、y
CaCO₃～CO₂
100    44
25g     x 

100

25g

=

44

x

x=11g＜12g，因此水垢不能全部为碳酸钙；
MgCO₃～CO₂
84     44
25g    y 

84

25g

=

44

y

y≈26.2g＞12g，因此水垢一定含有碳酸镁；
实验结论：根据甲同学的实验，该水垢样品中一定不含氢氧化钙；根据乙同学的实验探究，该水垢样品中一定含碳酸镁；因此，水垢的主要成分应为氢氧化镁、碳酸钙和碳酸镁的混合物；
故答案为：Mg（OH）₂、CaCO₃、MgCO₃．

点评：根据装置的特点及装置中所盛放药品的性质，对装置的作用进行理解，是解决给出实验装置类探究问题的一个重要手段．