碳酸氢钠热分解反应的研究

碳酸氢钠热分解反应的研究

郭孝兵 任峰 张典俊

（合肥市第一中学 安徽合肥 230601）

碳酸氢钠是中学化学中经常会讨论到的一种钠的化合物，其贯穿在很多知识点的考查中，如物质的分离和提纯；与碳酸钠之间的相互转化；其水溶液蒸干后所得到的固体成分；其水溶液加热过程中pH 的变化及原因探究等等。而很多教辅资料中重点强调了碳酸氢钠的热分解只针对固体加热，认为碳酸氢钠溶液加热不会分解，因为溶液的温度不能突破100℃，碳酸氢钠不能分解，事实是这样吗？为了将这个问题讨论清楚，给中学化学教学提供一个重要的参考依据，本文重点讨论了碳酸氢钠固体及其水溶液的热分解情况。

1．实验

1.1实验药品和主要仪器

碳酸氢钠固体（分析纯）、高温传感器（威尼尔）、常温传感器（威尼尔）、CO 2气体传感器（威尼尔）、采集器、计算机、酒精灯、磁力搅拌器、铁架台、烧杯、容量瓶等

1.2实验思路

（1）碳酸氢钠固体的热分解：称量7.5g 碳酸氢钠固体，置于干燥的大试管中，将高温传感器的探头置于大试管的底部，使固体完全覆盖住探头，然后将CO 2传感器放入试管口， 加热，当CO 2的浓度突然快速升高时，说明碳酸氢钠固体开始分解，此时的温度即为开始

（2）碳酸氢钠溶液的热分解：精确配制200 ml 0.1mol /L 碳酸氢钠溶液，取100ml 置于锥形瓶中，放入常温传感器和CO 2传感器，用磁力搅拌器加热同时进行磁力搅拌，如果CO 2浓度突然升高，说明其开始分解，记录开始分解温度。装置图如图2。

1.3实验数据采集

碳酸氢钠固体的热分解

高温传感器

碳酸氢钠

CO 2传感器

数据采集器 连接电脑 图1

图3

碳酸氢钠溶液的热分解

图4

1.4实验分析

碳酸氢钠固体的热分解实验操作较为简单，干扰因素很少，图像较完整，100.2℃开始分解。但是由于其分解温度较低，酒精灯升温速度较快，不利于观察持续变化过程，再加上可能会出现固体受热不均现象，而使测量结果出现偏差，所以，在加热过程中，先匀速移动酒精灯给试管底部加热，再集中对高温传感器探头所在位置加热。图像中的突变问题可能是由于温度升高后，分解速率加快所致。不足之处就是由于CO2传感器量程的局限性，未能测出其分解完全时与温度的动态关系。

碳酸氢钠溶液的热分解，给我们的认识带来较大冲击，20℃左右其就开始分解了，只不过速率较慢，随着温度的升高，分解速率逐渐加快，在76℃左右时，CO2浓度发生突变，开始急剧分解，但是在整个分解过程中，出现了CO2浓度下降，后来又急剧升高的现象，可能是水蒸汽附在传感器表面造成的影响，待水蒸汽冷凝滴下后，传感器测出的CO2浓度又恢复正常。

2．实验总结

通过实验可以看出，碳酸氢钠固体的分解比其溶液分解温度要高。碳酸氢钠固体分解温度在100.2℃左右，这与东南大学能源与环境学院的赵传文等进行的热重分析法测定结果较为吻合，考虑到反应气氛、升温速率、压强等对于其分解速率可能会带来影响，该测定结果主要针对常压、空气中加热做的分析，在以后的研究中，将对升温速率的控制做进一步的思考改进。

而碳酸氢钠溶液常温下就可以分解，只是速率较慢，温度升高后，分解速率会加快，在76℃左右开始急剧分解。这一结论对于我们理解中学化学中很多与此有关的内容时，有很好

的参考价值。如碳酸氢钠溶液蒸干时，得到的应是碳酸钠固体；溶液温度升高，碳酸氢钠溶液的pH值增大，原因也与其分解有很大关系，而不能单纯的认为其不能分解，以为只是升温促进水解而已。

3．理论依据

碳酸氢钠固体的分解，很多人已进行了研究讨论，本实验的结果与其较为吻合。而实验中我们发现碳酸氢钠溶液能够分解，从理论上来看，能发生分解吗？带着这个疑问，我们查阅了相关资料，进行了有关讨论计算：

（1）低温蒸干碳酸氢钠溶液，所得固体是碳酸钠吗？

碳酸氢钠溶液中存在着HCO3-的水解平衡和电离平衡，其中水解占据主导地位，故其水溶液显碱性。

①HCO3-+H2O H2CO3+OH-

②HCO3-CO32-+H+

③H2CO3H2O+CO2

④H++ OH-H2O

由①+②+③+④得

⑤ 2HCO3-（aq）CO32-（aq）+H2O（l）+CO2（g）

△f H298ø/(kJ·mol-1) -690.5 -675.6 -285.6 -393.1

△f G298ø/(kJ·mol-1) -586.5 -527.6 -237.0 -394.1

△r H298ø/(kJ·mol-1)=[(-675.6)+(-285.6)+(-393.1)]-(-690.5)×2=28.7 kJ·mol-1

△r G298ø/(kJ·mol-1)=[(-527.6)+(-237.0)+(-394.1)]-(-586.5)×2=14.4 kJ·mol-1

由△G rø=-RTlnKø可得，Kø=3.0×10-3

综上所述，该反应为吸热反应，升温有利于生成CO2。

（2）敞口放置的碳酸氢钠溶液，室温下会自发分解吗？

已知：H2CO3的电离平衡常数为K1=4.30×10-7，K2=5.61×10-11，0.1 mol/L碳酸氢钠溶液的pH值为8.3（用pH计测量），由HCO3-+H2O H2CO3+OH-可求出室温时碳酸氢钠的水解度为h=(K h)0.5/[1+(K h)0.5]，K h=K w/(1+K1)=2.33×10-8，h=1.53×10-2%，由此我们发现，其水解程度是很小的，我们可将其起始浓度作为平衡浓度代入计算，

HCO3-CO32-+H+

由K2=[ CO32-]·[H+]/[ HCO3-] 解得[ CO32-]=1.1×10-3mol/L

由反应⑤的热力学平衡常数Kø及热力学平衡表达式可得，

由以上计算可知，0.1mol/L碳酸氢钠溶液敞口放置，自然分解的CO2气体分压大于空气中的CO2气体分压（0.0003×1.013×105Pa），所以碳酸氢钠溶液常温下能自发分解生成CO2。若温度降至0℃，反应⑤的自由能为17.7 kJ·mol-1，Kø=4.13×10-4，与25℃的Kø相差10倍左右，而25℃HCO3-自然分解的CO2气体分压是空气中的CO2气体分压的100倍左右，