Question

某兴趣小组根据镁与沸水的反应推测镁也能与饱和碳酸氢钠溶液反应。资料显示：镁与饱和碳酸氢钠溶液反应产生大量气体和白色不溶物。该兴趣小组设计了如下实验方案并验证产物、探究反应原理。
实验1：用砂纸擦去镁条表面氧化膜，将其放人盛有适量滴有酚酞的饱和碳酸氢钠溶液的试管中，迅速反应，产生大量气泡和白色不溶物，溶液由浅红变红。
（1）提出假设
该同学对反应中产生的白色不溶物作出如下假设：
假设1：可能为             。
假设2：可能为MgCO₃。
假设3：可能是碱式碳酸镁[xMgCO₃·yMg(OH)₂]
（2）设计定性实验确定产物并验证猜测：

实验序号	实验	预期现象和结论
实验II	将实验I中收集到的气体点燃
实验III	取实验I中的白色不溶物，洗涤，加入足量	； 白色不溶物可能含有MgCO3
实验IV	取实验I中的澄清液，向其中加入少量CaCl2稀溶液	产生白色沉淀；溶液中存在     离子

 
（3）设计定量实验确定实验I的产物：称取实验I中所得干燥、纯净的白色不溶物31.0 g，充分加热至不再产生气体为止，并使分解产生的气体全部进入盛有足量浓硫酸的洗气瓶A、盛有足量碱石灰的干燥管B和盛有足量碱石灰的干燥管C中。实验前后装置A增重1.8 g，装置B增重13.2 g，试确定白色不溶物的化学式                     。
（4）请结合化学用语和化学平衡移动原理解释Mg和NaHCO₃溶液反应产生大量气泡的原因                                                                    。

Answer 1

（16分）
（1）Mg(OH)₂（2分）
（2）（每空2分）

序号	实验操作	预期现象和结论
实验II		能安静燃烧、产生淡蓝色火焰；气体成分为氢气
实验III	稀盐酸（合理均可）	产生气泡，沉淀全部溶解
实验IV		溶液中存在CO32－

 
（3）3MgCO₃?Mg(OH)₂[或Mg(OH)₂?3MgCO₃或Mg₄(OH)₂(CO₃)₃]（3分）
（4）NaHCO₃溶液中存在如下平衡：HCO₃^－H⁺+ CO₃^2－、H₂OH⁺+OH^－；Mg和H⁺反应生成H₂和Mg²⁺，Mg²⁺和OH^－、CO₃^2－生成难溶物Mg(OH)₂?3MgCO₃，则H⁺、OH^－、CO₃^2－的浓度均降低，促使上述两平衡均向右移动，故Mg与饱和NaHCO₃溶液反应产生大量H₂（3分）

解析试题分析：（1）根据已经提出的两个假设推导，碳酸镁、碱式碳酸镁、氢氧化镁都是白色不溶物，由此可以得出假设1，反应中产生的白色不溶物可能是氢氧化镁；（2）实验II：镁与沸水发生置换反应，生成氢氧化镁和氢气；由此推断氢前活泼金属镁与饱和碳酸氢钠溶液反应放出的气体可能是氢气，如果实验I中收集的气体点燃时能安静燃烧、产生淡蓝色火焰，则该气体成分为氢气；实验III：碳酸镁不溶于水，但是碳酸的酸性比盐酸或稀硫酸或稀硝酸或醋酸弱，如果实验I中的白色不溶物洗涤排除碳酸氢钠干扰后，加入足量的盐酸或稀硫酸或稀硝酸或醋酸，固体完全溶解，产生气泡，说明白色不溶物可能含有碳酸镁；实验IV：由于碳酸氢钠不能与氯化钙反应，碳酸根离子与氯化钙溶液反应产生白色沉淀，则实验I中的澄清液中加入少量氯化钙稀溶液，产生白色沉淀，说明溶液中含有碳酸根离子；（3）浓硫酸具有吸水性，其增加的质量就是分解产物水的质量，碱石灰不仅有吸水性，而且能吸收二氧化碳，其增加的质量为分解产物二氧化碳的质量；由于水、二氧化碳的相对分子质量分别为18、44，n=m/M，则H₂O、CO₂的物质的量分别为0.1mol、0.3mol，前者所含氢原子的物质的量为0.2mol，后者所含碳原子为0.3mol，根据氢、碳原子守恒可知不溶物中氢、碳原子物质的量之比为0.2∶0.3=2∶3，由于物质的量之比等于化学式中氢、碳原子个数之比，则氢氧化镁与碳酸镁的系数之比为1∶3，则不溶物的化学式为Mg(OH)₂?3MgCO₃ [或3MgCO₃?Mg(OH)₂或Mg₄(OH)₂(CO₃)₃]；（4）NaHCO₃溶液中存在如下平衡：HCO₃^－H⁺+ CO₃^2－、H₂OH⁺+OH^－；Mg和H⁺反应生成H₂和Mg²⁺，Mg²⁺和OH^－、CO₃^2－生成难溶物Mg(OH)₂?3MgCO₃，则H⁺、OH^－、CO₃^2－的浓度均降低，促使上述两平衡均向右移动，故Mg与饱和NaHCO₃溶液反应产生大量H₂。
考点：考查探究实验和综合计算，涉及反应产生白色不溶物成分的假设、设计反应产生气体的检验方案、设计检验碳酸镁存在的实验方案、设计检验碳酸根离子的方案、数据处理、质量、摩尔质量、物质的量、物质的量在物质组成关系式中的应用、确定白色不溶物的化学式、用化学平衡移动原理解释Mg和NaHCO₃溶液反应产生大量气泡的原因等。