碳酸钠&碳酸氢钠的性质与应用
本文发表于《高中数理化》“笃年老师问与答”专栏，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学重点知识解读》的一篇。该书将于2021年底前出版。
1. 除去CO2气体中的HCl、SO2等酸性杂质时，为什么不能用Na2CO3溶液？
简单说，是因为Na2CO3 水溶液可以吸收 CO2 气体：Na2CO3+ H2O + CO2 = 2NaHCO3。固然，Na2CO3 会优先跟酸性更强的HCl、SO2等杂质气体反应，但是毕竟HCl、SO2等属于杂质，含量很少，当它们被吸收完全后，主体物质CO2 就会被吸收，这不符合除杂的原则。
Na2CO3 溶液吸收CO2 的反应对应着一条重要的反应规律：
多元酸的正盐可以跟该酸反应，生成其酸式盐。
让我们再来列举几例：
CaCO3 + H2O + CO2= Ca(HCO3)2
——自然界富含CO2 的地下暗河流经石灰岩时将CaCO3 溶解掉，形成溶洞，发生的就是此反应；实验室里向石灰水里通过量CO2 时浑浊（CaCO3）消失，也是发生了这个反应的缘故。
Ca3(PO4)2 +4H3PO4 = 3Ca(HPO4)2
——磷肥厂利用该反应把难溶、不易被作物直接吸收的磷矿石 [ Ca3(PO4)2] 转化为可溶、易被作物直接吸收的重过磷酸钙 [ Ca(H2PO4)2 ]。
2. Na2CO3是一种盐，从组成看它不可能电离出OH-，其水溶液为何显碱性？
由于纯水中存在H2O的微弱电离：H2O ⇌ OH- + H+，所以任何水溶液里都存在H+和OH-，不管该溶液是酸性还是碱性的。当水溶液显中性时，溶液里H+浓度等于OH- 浓度；显酸性时，溶液里H+ 浓度大于OH- 浓度；显碱性时，溶液里H+浓度小于OH- 浓度。
我们知道，H2CO3是一种极弱的酸，它在水中的电离是可逆的，且分为程度不同的2步：
H2CO3⇌ H+ + HCO3-（程度不大）
HCO3- ⇌ H+ + CO32-（程度更小）
让我们从逆向看这两个过程：在水溶液里，HCO3-、CO32- 是具有结合H+ 的倾向的。所以，当Na2CO3 溶解于水后，CO32- 便会跟水电离出的H+ 结合形成HCO3-，导致水中H+浓度下降，促使水继续电离，最终导致水中OH-浓度上升，c(OH-) > c(H+)，使其水溶液显碱性。
上述CO32-促进水电离的反应叫盐类的水解反应，在《化学反应原理》模块中会学到。
同样道理，我们也可以理解碳酸氢钠水溶液的性质：
虽然HCO3-能够十分微弱地电离出H+，但它也具有结合H+、促使水电离出更多OH- 的倾向。
从实验事实看，上述第一个反应比第二个反应程度略弱，所以碳酸氢钠这个酸式盐的水溶液反而呈弱碱性。
换一种酸性较强的酸式盐则未必跟NaHCO3 一样。
如NaHSO3、NaH2PO4 的水溶液，则是HSO3-、H2PO4-电离程度大于其水解程度，故这两种盐的水溶液显弱酸性。
对于特定的多元弱酸的酸式盐来说，根据弱酸的电离常数可以推算其溶液的酸碱性，在《化学反应原理》模块即将学到，高一阶段只要记住几个常见的即可。
3. 侯德榜制碱反应：NH4HCO3 + NaCl = NaHCO3 + NH4Cl中，反应物和生成物中的四种盐都是可溶的，该反应为什么还能够发生？
首先，初中化学所说“盐溶液间发生复分解反应生成两种新盐的条件是反应物均可溶，而产物至少一种难溶”只是很粗的规律，该规律细化后应该是“溶解度大的盐溶液间可以相互反应，生成溶解度更小的盐类”。
工业生产中，该反应一般控制在30℃左右，让我们比较一下上述反应体系内四种物质在该温度下的溶解度。
|
物质 |
NH4HCO3 |
NaCl |
NaHCO3 |
NH4Cl |
|
30℃溶解度/g |
28.4 |
36.1 |
11.1 |
37.2 |
显然，NaHCO3的溶解度远小于另外三种物质，所以当溶液里NH4+、Na+、Cl-、HCO3-四种离子同时出现时，如果Na+、HCO3- 的浓度超过了NaHCO3 饱和溶液对应的浓度，它们就会相互结合形成NaHCO3 晶体析出（形成沉淀），也就发生了上述反应。
人们习惯上把“沉淀”跟“难溶物”等同看待，所以才有“盐溶液间反应，反应物必须可溶，而产物至少一种难溶”之说。其实，这条规律应该修改为“盐溶液之间的反应，一般规律是溶解性好的物质转化为溶解性差的物质”。
这样一来，我们还可以理解如下一些反应事实：向AgCl白色沉淀里加KI溶液后，可见白色沉淀逐渐变为黄色沉淀：AgCl(s) + I-= AgI(s) + Cl-。
这类反应叫做沉淀的转化反应。
其原理在于AgCl虽然难溶，但其溶解度相对于AgI要大得多，当遇到浓度较大的I-时，AgCl溶解产生的Ag+ 就会跟I- 结合形成溶解性更差的AgI，从而导致AgCl的溶解平衡破坏，AgCl不断溶解而AgI不断生成，上述沉淀转化反应就发生了。
4. 一般的都是酸式盐比正盐溶解度大，为什么NaHCO3的溶解度反而比Na2CO3小？
物质在水中的溶解度跟很多因素有关，除原物质内部粒子间的结合作用强弱外，还跟物质分散成微粒后，这些微粒与水分子的结合作用（即水合，从微观的角度看，任何物质溶解于水的过程都一定包含微粒的扩散、水合两个过程）有关。
碳酸钠、碳酸氢钠都是钠盐，溶解的同时都完全电离。
碳酸钠溶解于水后，CO32- 很容易跟水分子间通过氢键作用而发生水合，这对于Na2CO3 的溶解是一种非常有力的“拉动”作用。
而HCO3- 则不同，由于HCO3- 本身含有一个氢原子，彼此之间可以通过氢键相互结合，形成二聚体：
氢键是有饱和性的，HCO3-离子间的结合导致它跟水分子间形成氢键程度的减弱。所以HCO3- 的水合作用就比CO32- 弱一些，这样对于NaHCO3 溶解过程的“拉动”作用就小了。