Question

天然水由于長期與土壤、巖石等接觸，會溶有一定量的Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-等，這樣的水在加熱過程中很容易形成水垢．水垢可以看作由多種物質(zhì)如：CaCO₃、MgCO₃、Mg（OH）₂等中的若干種物質(zhì)組成的混合物，某學(xué)習(xí)小組為研究含有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-的自來水所形成水垢的化學(xué)組成，取干燥的水垢6.32g，加熱使其失去結(jié)晶水后，得到5.78g剩余固體A；高溫灼燒A至恒重，殘余固體為CaO和MgO，放出的氣體用足量Ba（OH）₂溶液吸收，得到11.82g沉淀．
（1）通過計(jì)算確定A中的碳酸鹽是______（填答案編號）．
a．只有CaCO₃　　 b．只有MgCO₃　　 c．既有CaCO₃又有MgCO₃
寫出計(jì)算過程：______
（2）5.78g剩余固體A灼燒至恒重時(shí)產(chǎn)生的氣體完全被堿石灰吸收，堿石灰增重2.82g，通過計(jì)算確定A中各成分的物質(zhì)的量．若用a CaCO₃?b MgCO₃?x Mg（OH）₂?y H₂O表示原水垢（若a、b、x、y中有為0的，則該項(xiàng)略去，a、b、x、y用最簡整數(shù)比），通過計(jì)算確定原水垢的化學(xué)式．
（3）該學(xué)習(xí)小組用該水垢模擬石灰窯反應(yīng)，取該水垢與碳粉混合，通入一定量空氣（假定不考慮其它氣體，N₂與O₂體積比為：4：1），在密閉容器中，用噴燈加熱至1000℃左右充分反應(yīng)后，冷卻到室溫，測得最后所得氣體中各種成分的體積含量如下：
O₂：0.3%；CO：0.4%；CO₂：42.5%；其余為N₂．[已知：Mg（OH）₂分解溫度為270℃左右，MgCO₃分解溫度為400℃左右，CaCO₃分解溫度900℃左右]．
求該小組所取水垢和碳粉的質(zhì)量比（結(jié)果保留2位小數(shù)）．

Answer 1

解：（1）n（CO₂）=n（BaCO₃）==0.06 mol，假設(shè)二氧化碳全部來自碳酸鈣，則m（CaCO₃）=0.06mol×100g/mol=6g＞5.78g，假設(shè)二氧化碳全部來自碳酸鎂，則m（MgCO₃）=0.06mol×84g/mol=5.04g＜5.78g，
故A既含有CaCO₃，又含有MgCO₃，
故答案為：c；n（CO₂）=n（BaCO₃）==0.06 mol，假設(shè)二氧化碳全部來自碳酸鈣，則m（CaCO₃）=0.06mol×100g/mol=6g＞5.78g，假設(shè)二氧化碳全部來自碳酸鎂，則m（MgCO₃）=0.06mol×84g/mol=5.04g＜5.78g，故A既含有CaCO₃，又含有MgCO₃；
（2）5.78g剩余固體A灼燒生成二氧化碳的質(zhì)量為0.06mol×44g/mol=2.64g，堿石灰增重2.82g，故生成水的質(zhì)量為2.82g-2.64g=0.18g，固體A中含有氫氧化鎂，由H元素守恒則：n[Mg（OH）₂]=n（H₂O）==0.01mol，故m[Mg（OH）₂]=0.01mol×58g/mol=0.58g，
n（CaCO₃）+n（MgCO₃）=0.06mol，n（CaCO₃）×100g/mol+n（MgCO₃）×84g/mol+0.58g=5.78g，解得：n（MgCO₃）=0.05mol，n（CaCO₃）=0.01mol，
水垢中含有的結(jié)晶水為6.32g-5.78g=0.54g，水垢中結(jié)晶水的物質(zhì)的量為=0.03mol，
故a：b：x：y=0.01mol：0.05mol：0.01mol：0.03mol=1：5：1：3，故水垢化學(xué)式為CaCO₃?5MgCO₃?Mg（OH）₂?3H₂O，
答：水垢化學(xué)式為CaCO₃?5MgCO₃?Mg（OH）₂?3H₂O；
（3）假設(shè)C粉為xmol，CaCO₃?5MgCO₃?Mg（OH）₂?3H₂O為ymol，最后的混合氣體為100mol，
氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為100mol×（1-0.3%-0.4%-42.5%）=56.8mol，通入的氧氣的物質(zhì)的量為=14.2mol，
高溫后得到y(tǒng)molCaO、6ymolMgO、4ymolH₂O和混合氣體，
根據(jù)C原子守恒有x+6y=42.5+0.4，
根據(jù)氧原子守恒有23y+2×11.2=0.3×2+0.4+42.5×2+4y+y+6y，
聯(lián)立方程，解得x=14.1，y=4.8
故該小組所取水垢和碳粉的質(zhì)量比為=17.93，
答：該小組所取水垢和碳粉的質(zhì)量比為17.93．
分析：（1）放出的氣體用足量Ba（OH）₂溶液吸收，得到11.82g沉淀為碳酸鋇，根據(jù)n=計(jì)算碳酸鋇的物質(zhì)的量，由碳元素守恒可知n（CO₂）=n（BaCO₃），假定碳酸鹽只含有碳酸鈣或碳酸鎂，根據(jù)m=nM計(jì)算其質(zhì)量，據(jù)此確定含有的碳酸鹽；
（2）5.78g剩余固體A灼燒生成二氧化碳的物質(zhì)的量為n（CO₂）==0.06 mol，質(zhì)量為0.06mol×44g/mol=2.64g，堿石灰增重2.82g，故生成水的質(zhì)量為2.82g-2.64g=0.18g，固體A中含有氫氧化鎂，根據(jù)H元素守恒有n[Mg（OH）₂]=n（H₂O），進(jìn)而計(jì)算m[Mg（OH）₂]，固體A中n（CaCO₃）+n（MgCO₃）=0.06mol，再結(jié)合碳酸鈣、碳酸鎂、氫氧化鎂三者質(zhì)量之和為5.78g，計(jì)算固體A中碳酸鈣、碳酸鎂的物質(zhì)的量．水垢中含有的結(jié)晶水為6.32g-5.78g=0.54g，計(jì)算結(jié)晶水的物質(zhì)的量，據(jù)此計(jì)算a：b：x：y的值，確定水垢的化學(xué)式；
（3）假設(shè)C粉為xmol，CaCO₃?5MgCO₃?Mg（OH）₂?3H₂O為ymol，最后的混合氣體為100mol，計(jì)算氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算通入的氧氣的物質(zhì)的量，高溫后得到y(tǒng)molCaO、6ymolMgO、4ymolH₂O和混合氣體，根據(jù)C原子守恒有x+6y=42.5+0.4，根據(jù)氧原子守恒有23y+2n（O₂）_通入=0.3×2+0.4+42.5×2+n（H₂O）+n（CaO）+n（MgO），據(jù)此計(jì)算解答．
點(diǎn)評：本題考查混合物的有關(guān)計(jì)算，難度較大，確定含有氫氧化鎂是解題關(guān)鍵，注意極限假設(shè)法、原子守恒的運(yùn)用，題目數(shù)據(jù)多、過程繁瑣、計(jì)算量較大，為易錯(cuò)題．