向饱和 Ca(HCO₃)₂ 溶液中加入 NaHCO₃ 固体,会生成 CaCO₃ 沉淀吗?

向饱和 Ca(HCO₃)₂ 溶液中加入 NaHCO₃ 固体,会生成 CaCO₃ 沉淀吗?

Studio TBsoft,电子工程师

(20210103 补充修改)

“碳酸氢钙可溶于水”这一句话不知道误导了多少中学化学学习者,甚至命题者。经常在一些质量不好的中学化学练习题,甚至考试题中看到“碳酸氢钙溶液”甚至“碳酸氢钙固体”这样的描述,问题是:真的存在较浓的碳酸氢钙溶液(笔者曾经在练习题上看到过“0.1mol/L 碳酸氢钙溶液”这样的条件),甚至碳酸氢钙固体吗?

实际上,水溶液中的碳酸氢钙很不稳定,根本不能高浓度存在,浓度稍高,碳酸氢钙就会发生分解反应:

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + H2O + CO2↑

不存在高浓度的碳酸氢钙水溶液,更不存在固体的碳酸氢钙,碳酸氢镁也与之类似,Ca2+ 或者 Mg2+ 与 HCO3- 都只能低浓度在水溶液中共存。可以以碳酸氢钙为例,用高中化学知识简单估算一下,碳酸氢钙分解反应的实质可看作以下两步反应:

1、碳酸氢根离子 HCO3- 在水溶液中产生碳酸根离子 CO3 2-,注意 HCO3- 在水溶液中同时存在电离和水解,电离产生的 H+ 和水解产生的 OH- 又会结合成为水分子,因此存在下列三个可逆反应:

HCO3- ⇌ H+ + CO3 2-(HCO3- 的电离,即碳酸的第二步电离,电离平衡常数是碳酸的 Ka2)

HCO3- + H2O ⇌ H2CO3 + OH-(HCO3- 的水解,水解平衡常数是水的离子积 Kw 与碳酸 Ka1 之商)

H+ + OH- ⇌ H2O(水电离的逆反应,平衡常数显然是水的离子积 Kw 的倒数)

将上述三个反应叠加起来,即得下列反应:

2HCO3- ⇌ CO3 2- + H2CO3

此反应就是 HCO3- 在水溶液中转化为 CO3 2-(以及 H2CO3)的平衡,平衡常数用 K1 表示,显然 K1 是上述三个反应平衡常数的乘积,即 K1=Ka2*(Kw/Ka1)*(1/Kw)=Ka2/Ka1。

也可以将上述分析简化一点,HCO3- 在水中的水解,本质是 HCO3- 与少量 H+ 结合生成弱电解质 H2CO3,这里的“少量 H+”是来自 HCO3- 的电离,还是来自水的电离,实际上无需关心,如果只需要得到水溶液中 HCO3- 转化为 CO3 2- 和 H2CO3 的平衡,拆成以下两步反应即可:

HCO3- ⇌ H+ + CO3 2-(碳酸的第二步电离,平衡常数是碳酸的 Ka2)

HCO3- + H+ ⇌ H2CO3(碳酸第一步电离的逆反应,平衡常数是碳酸 Ka1 的倒数)

K1=Ka2*(1/Ka1)=Ka2/Ka1,殊途同归,K1 就等于碳酸的 Ka2/Ka1,估算 K1≈1.30*10^(-4)。

2、上述平衡 2HCO3- ⇌ CO3 2- + H2CO3 使得 HCO3- 转化为 CO3 2-(以及 H2CO3)之后,CO3 2- 再与 Ca2+ 结合生成 CaCO3 沉淀:

Ca2+ + CO3 2- ⇌ CaCO3↓

这一反应的平衡常数用 K2 表示,K2 显然是碳酸钙溶度积 Ksp 的倒数,估算 K2≈3.00*10^8。

将上述两步反应合写起来,就是水溶液中碳酸氢钙分解的反应:

Ca2+ + 2HCO3- ⇌ CaCO3↓ + H2CO3

平衡常数 K=K1*K2,已经在 10^4 数量级了,这还是暂时不考虑 H2CO3 分解变成 CO2 逸出的情况下进行的简单估算,因此就算不考虑 H2CO3 在高浓度下会分解,反应向右进行的趋势已经相当大,只要溶液中 Ca2+ 和 HCO3- 浓度稍大,反应向右进行就会析出 CaCO3 沉淀,也就是水溶液中碳酸氢钙浓度稍高就会分解,如果考虑 H2CO3 在高浓度下会分解放出 CO2 气体,碳酸氢钙浓度较高时,反应向右进行会更加完全。

高浓度的碳酸氢钙在水中根本就不存在,较浓的氯化钙溶液和较浓的碳酸氢钠溶液混合时会发生反应,析出白色 CaCO3 沉淀,以及冒出 CO2 气泡,就与碳酸氢钙在水溶液中不能高浓度存在相关。常温常压下,将水洗过的 CO2(除去可能夹杂的 HCl 等杂质)通入饱和澄清石灰水(一定要饱和)中,可见澄清石灰水变浑浊,达到最大浑浊度后继续通入水洗过的 CO2,浑浊度会下降,也就是说液体变清,但无法得到完全澄清的溶液,原因也与高浓度碳酸氢钙不能在水溶液中存在有关。

水溶液中,只能存在很低浓度的碳酸氢钙或者碳酸氢镁,或者用更严格的说法:Ca2+ 或者 Mg2+ 与 HCO3- 都只能以很低的浓度在水溶液中共存,其它很多碳酸正盐溶解度很低的金属离子(主要是某些二价金属离子)也有类似现象,例如 Mn2+、Fe2+ 等也只能与 HCO3- 在水溶液中低浓度共存,因此可以用 NaHCO3 溶液或者 NH4HCO3 溶液将 Mn2+、Fe2+ 等转化为 MnCO3、FeCO3 等沉淀(天然的菱铁矿主要成分就是 FeCO3),MnSO4 溶液与 NH4HCO3 溶液的反应是工业制备 MnCO3 的一种方法。

因此,如果将提问者提出的“饱和 Ca(HCO3)2 溶液”理解为“水溶液中可以存在的最大浓度 Ca(HCO3)2 溶液(实际上是极稀的溶液)”,那么加入 NaHCO3 固体后,水溶液中 HCO3- 浓度增加,根据勒夏特列原理(平衡移动原理),上面提到的平衡就会向右移动:

Ca2+ + 2HCO3- ⇌ CaCO3↓ + H2CO3

这样一来就有可能析出 CaCO3 沉淀,但沉淀量应该是很微小的,因为溶液中 Ca(HCO3)2 或者 Ca2+ 的浓度很低。

顺便说说,虽然碳酸氢钙 Ca(HCO3)2 在水溶液中不可能以高浓度存在,但亚硫酸氢钙 Ca(HSO3)2 在水溶液中是可以达到很高浓度的,亚硫酸氢钙是造纸工业中的重要原料,可以溶解木质素。工业品 Ca(HSO3)2 一般制成溶液(多在造纸时现制现用,将过量 SO2 通入石灰乳),可达相当高的浓度,浓的 Ca(HSO3)2 溶液是黄色的,并非无色透明,这是因为亚硫酸氢根离子 HSO3- 存在二聚反应,除了与碳酸氢根离子类似的 2HSO3- ⇌ SO3 2- + H2SO3 平衡存在之外,还存在一个平衡:

2HSO3- ⇌ S2O5 2- + H2O

S2O5 2- 是焦亚硫酸根离子,这种离子的结构很特殊,结构是[O—SO—SO2—O]2-,而不是[O—SO—O—SO—O]2-,也就是说两个硫原子是直接相连的,两个硫原子的氧化数(化合价)实际不同,结构中存在 S—S 键,S—S 键的存在使得焦亚硫酸根离子带有颜色,高浓度时更明显,如同多硫化物带有颜色一样。

焦亚硫酸根离子的生成,降低了高浓度亚硫酸氢盐溶液中 HSO3- 的浓度,使得亚硫酸氢盐具有特殊的稳定性,即使亚硫酸钙是难溶盐,二氧化硫又容易逸出,亚硫酸氢钙在水溶液中仍然可以达到相当高的浓度,或者说高浓度亚硫酸氢根离子(实际会转化为焦亚硫酸根离子)和高浓度钙离子可以在水溶液中共存。