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8. 化学兴趣小组对贝壳中碳酸钙的含量进行探究。
【提出问题】如何选择药品和设计装置进行探究？
【查阅资料】贝壳的主要成分是$\ce{CaCO_{3}}$，其他成分对实验的影响忽略不计。室温时，$\ce{CaCO_{3}}$不溶于水，$\ce{CaSO_{4}}$微溶于水。
【设计并进行实验】
实验一:选择药品。
分别取等质量颗粒状和粉末状的贝壳样品与等体积、等浓度的盐酸在如图甲所示的三颈烧瓶中反应，反应过程中压强及温度随时间的变化关系如图乙、图丙所示。
（1）图甲中三颈烧瓶内发生反应的化学方程式为________。
（2）实验室一般不宜采用排水法收集二氧化碳的原因是________，检验生成的气体是二氧化碳的方法是________。
（3）据图乙分析，选择粉末状样品更好的原因是________。
（4）据图丙分析，影响实验测定准确性的因素:一是盐酸挥发出的$\ce{HCl}$气体增加；二是________。
实验二:设计装置。
在老师的指导下，小组同学设计了如图丁所示的装置进行测定。
【讨论与交流】同学们讨论后发现，盐酸与贝壳样品反应时会挥发出$\ce{HCl}$气体，影响实验的准确性，于是又将盐酸换成稀硫酸进行实验。
【继续探究】（5）加入足量稀硫酸，反应很快就停止了，原因是________。加入氯化铵溶液后发现又产生气泡，请你推测加入氯化铵溶液的作用:________。
【数据处理】（6）实验二中，样品质量为$m\ \mathrm{g}$，加入稀硫酸的体积为$V_{1}\ \mathrm{mL}$，加入氯化铵溶液的体积为$V_{2}\ \mathrm{mL}$，右侧注射器最后读数为$V_{3}\ \mathrm{mL}$(反应前注射器读数为0)。该实验条件下二氧化碳的密度为$d\ \mathrm{g/mL}$，则该样品中碳酸钙的质量分数的表达式为________。
【提出问题】如何选择药品和设计装置进行探究？
【查阅资料】贝壳的主要成分是$\ce{CaCO_{3}}$，其他成分对实验的影响忽略不计。室温时，$\ce{CaCO_{3}}$不溶于水，$\ce{CaSO_{4}}$微溶于水。
【设计并进行实验】
实验一:选择药品。
分别取等质量颗粒状和粉末状的贝壳样品与等体积、等浓度的盐酸在如图甲所示的三颈烧瓶中反应，反应过程中压强及温度随时间的变化关系如图乙、图丙所示。
（1）图甲中三颈烧瓶内发生反应的化学方程式为________。
（2）实验室一般不宜采用排水法收集二氧化碳的原因是________，检验生成的气体是二氧化碳的方法是________。
（3）据图乙分析，选择粉末状样品更好的原因是________。
（4）据图丙分析，影响实验测定准确性的因素:一是盐酸挥发出的$\ce{HCl}$气体增加；二是________。
实验二:设计装置。
在老师的指导下，小组同学设计了如图丁所示的装置进行测定。
【讨论与交流】同学们讨论后发现，盐酸与贝壳样品反应时会挥发出$\ce{HCl}$气体，影响实验的准确性，于是又将盐酸换成稀硫酸进行实验。
【继续探究】（5）加入足量稀硫酸，反应很快就停止了，原因是________。加入氯化铵溶液后发现又产生气泡，请你推测加入氯化铵溶液的作用:________。
【数据处理】（6）实验二中，样品质量为$m\ \mathrm{g}$，加入稀硫酸的体积为$V_{1}\ \mathrm{mL}$，加入氯化铵溶液的体积为$V_{2}\ \mathrm{mL}$，右侧注射器最后读数为$V_{3}\ \mathrm{mL}$(反应前注射器读数为0)。该实验条件下二氧化碳的密度为$d\ \mathrm{g/mL}$，则该样品中碳酸钙的质量分数的表达式为________。
答案
(1) $\ce{CaCO_{3} + 2HCl = CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
(2) $\ce{CO_{2}}$能溶于水并能与水发生反应 将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，则证明生成的气体为$\ce{CO_{2}}$
(3) 其他条件相同时，粉末状样品与盐酸反应速率较快，效率高
(4) 温度升高，气体膨胀(或温度升高，二氧化碳中水蒸气含量增加等合理答案均可)
(5) 稀硫酸与贝壳反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$覆盖在贝壳样品的表面，阻止反应继续进行 促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙与稀硫酸继续反应
(6) $\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$
〔解析〕(6) 由题意可知，反应生成二氧化碳气体的体积为$(V_{3}-V_{2}-V_{1})\mathrm{mL}$，其质量为$(V_{3}-V_{2}-V_{1})\mathrm{mL}× d\ \mathrm{g/mL}=(V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}$，设样品中碳酸钙的质量为$x$。
$\begin{aligned}\ce{CaCO_{3} + H_{2}SO_{4}=CaSO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}\\ 100\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad 44\\ x\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad (V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}\end{aligned}$
$\dfrac{100}{44}=\dfrac{x}{(V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}}$ $x=\dfrac{25(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11}\ \mathrm{g}$
则该样品中碳酸钙的质量分数表达式为$\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$。
(2) $\ce{CO_{2}}$能溶于水并能与水发生反应 将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，则证明生成的气体为$\ce{CO_{2}}$
(3) 其他条件相同时，粉末状样品与盐酸反应速率较快，效率高
(4) 温度升高，气体膨胀(或温度升高，二氧化碳中水蒸气含量增加等合理答案均可)
(5) 稀硫酸与贝壳反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$覆盖在贝壳样品的表面，阻止反应继续进行 促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙与稀硫酸继续反应
(6) $\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$
〔解析〕(6) 由题意可知，反应生成二氧化碳气体的体积为$(V_{3}-V_{2}-V_{1})\mathrm{mL}$，其质量为$(V_{3}-V_{2}-V_{1})\mathrm{mL}× d\ \mathrm{g/mL}=(V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}$，设样品中碳酸钙的质量为$x$。
$\begin{aligned}\ce{CaCO_{3} + H_{2}SO_{4}=CaSO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}\\ 100\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad 44\\ x\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad (V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}\end{aligned}$
$\dfrac{100}{44}=\dfrac{x}{(V_{3}-V_{2}-V_{1})d\ \mathrm{g}}$ $x=\dfrac{25(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11}\ \mathrm{g}$
则该样品中碳酸钙的质量分数表达式为$\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$。
解析
【分析】
这是一道围绕贝壳中碳酸钙含量测定展开的综合化学实验题，我们可以按小问逐一梳理解题思路：
1. 第(1)问：三颈烧瓶内是碳酸钙和盐酸的反应，直接根据碳酸盐和酸的反应规律书写方程式即可。
2. 第(2)问：结合二氧化碳的物理、化学性质，回忆排水法收集气体的适用条件，就能得出不能用排水法收集CO₂的原因；检验CO₂是基础实验操作，对应通入澄清石灰水的方法。
3. 第(3)问：图乙是反应过程压强变化曲线，压强上升越快说明生成CO₂速率越快，粉末状固体比表面积更大，和酸接触更充分，反应速率更快，因此选择粉末状样品更优。
4. 第(4)问：图丙是反应过程温度变化曲线，该反应放热会使体系温度升高，温度升高一方面会让气体受热膨胀，另一方面会使生成的CO₂中混有更多水蒸气，都会导致测得的气体体积偏大，影响实验准确性。
5. 第(5)问：题目给出资料CaSO₄微溶于水，稀硫酸和碳酸钙反应生成的硫酸钙会附着在贝壳表面，隔绝酸和碳酸钙的接触，因此反应很快停止；加入氯化铵后反应重新发生，说明氯化铵可以促进微溶的硫酸钙溶解，让碳酸钙继续和稀硫酸接触反应。
6. 第(6)问：计算时要注意，加入的稀硫酸、氯化铵溶液本身会占据装置内的空间，排出部分气体，因此实际生成的CO₂体积需要用注射器最终读数减去加入的两种液体的体积，得到纯CO₂的体积后算出其质量，再结合碳酸钙和硫酸反应的化学方程式，计算出碳酸钙的质量，最后换算为质量分数即可。
【解析】
(1) 贝壳中碳酸钙和稀盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳，化学方程式为$\ce{CaCO_{3} + 2HCl = CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$。
(2) 室温下$\ce{CO_{2}}$能溶于水，且可以和水发生反应生成碳酸，因此一般不采用排水法收集二氧化碳；检验二氧化碳的标准操作是将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，即可证明该气体为二氧化碳。
(3) 对比颗粒状和粉末状样品的反应曲线，其他条件相同时，粉末状样品与盐酸接触面积更大，反应速率更快，能在更短时间内完成反应，实验效率更高，因此选择粉末状样品更好。
(4) 由图丙可知反应过程中体系温度明显升高，温度升高一方面会使装置内气体受热膨胀，另一方面会让生成的二氧化碳中混有更多水蒸气，都会导致测得的气体体积偏大，影响测定准确性。
(5) 稀硫酸和碳酸钙反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$，会覆盖在贝壳样品的表面，隔绝稀硫酸和内部碳酸钙的接触，因此反应很快停止；加入氯化铵后反应重新产生气泡，说明氯化铵可以促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙能持续和稀硫酸接触，反应继续进行。
(6) 实际生成的二氧化碳体积为$(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{mL}$，二氧化碳的质量为$d\ \mathrm{g/mL} × (V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{mL} = d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}$。
设样品中碳酸钙的质量为$x$：
$\ce{CaCO_{3} + H_{2}SO_{4} = CaSO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
$100\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad 44$
$x\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}$
列比例式：$\dfrac{100}{44} = \dfrac{x}{d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}}$，解得$x = \dfrac{25d(V_3 - V_1 - V_2)}{11}\ \mathrm{g}$。
因此碳酸钙的质量分数为$\dfrac{\dfrac{25d(V_3 - V_1 - V_2)}{11}\ \mathrm{g}}{m\ \mathrm{g}} × 100\% = \dfrac{2500(V_3 - V_2 - V_1)d}{11m}\%$。
【答案】
(1) $\ce{CaCO_{3} + 2HCl = CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
(2) $\ce{CO_{2}}$能溶于水并能与水发生反应；将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，则证明生成的气体为$\ce{CO_{2}}$
(3) 其他条件相同时，粉末状样品与盐酸反应速率较快，效率高
(4) 温度升高，气体膨胀(或温度升高，二氧化碳中水蒸气含量增加等合理答案均可)
(5) 稀硫酸与贝壳反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$覆盖在贝壳样品的表面，阻止反应继续进行；促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙与稀硫酸继续反应
(6) $\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$
【知识点】
1. 二氧化碳的性质与检验
2. 影响反应速率的因素
3. 化学方程式相关计算
【点评】
本题是综合性较强的物质组分定量测定实验题，既覆盖了二氧化碳性质、酸和碳酸盐反应等基础核心知识点，又结合图像分析、新信息应用考察学生的实验探究能力，其中第六问需要校正加入液体占据的体积，是本题的高频易错点，能够有效区分学生对定量实验原理的理解程度。
【难度系数】
0.45
这是一道围绕贝壳中碳酸钙含量测定展开的综合化学实验题，我们可以按小问逐一梳理解题思路：
1. 第(1)问：三颈烧瓶内是碳酸钙和盐酸的反应，直接根据碳酸盐和酸的反应规律书写方程式即可。
2. 第(2)问：结合二氧化碳的物理、化学性质，回忆排水法收集气体的适用条件，就能得出不能用排水法收集CO₂的原因；检验CO₂是基础实验操作，对应通入澄清石灰水的方法。
3. 第(3)问：图乙是反应过程压强变化曲线，压强上升越快说明生成CO₂速率越快，粉末状固体比表面积更大，和酸接触更充分，反应速率更快，因此选择粉末状样品更优。
4. 第(4)问：图丙是反应过程温度变化曲线，该反应放热会使体系温度升高，温度升高一方面会让气体受热膨胀，另一方面会使生成的CO₂中混有更多水蒸气，都会导致测得的气体体积偏大，影响实验准确性。
5. 第(5)问：题目给出资料CaSO₄微溶于水，稀硫酸和碳酸钙反应生成的硫酸钙会附着在贝壳表面，隔绝酸和碳酸钙的接触，因此反应很快停止；加入氯化铵后反应重新发生，说明氯化铵可以促进微溶的硫酸钙溶解，让碳酸钙继续和稀硫酸接触反应。
6. 第(6)问：计算时要注意，加入的稀硫酸、氯化铵溶液本身会占据装置内的空间，排出部分气体，因此实际生成的CO₂体积需要用注射器最终读数减去加入的两种液体的体积，得到纯CO₂的体积后算出其质量，再结合碳酸钙和硫酸反应的化学方程式，计算出碳酸钙的质量，最后换算为质量分数即可。
【解析】
(1) 贝壳中碳酸钙和稀盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳，化学方程式为$\ce{CaCO_{3} + 2HCl = CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$。
(2) 室温下$\ce{CO_{2}}$能溶于水，且可以和水发生反应生成碳酸，因此一般不采用排水法收集二氧化碳；检验二氧化碳的标准操作是将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，即可证明该气体为二氧化碳。
(3) 对比颗粒状和粉末状样品的反应曲线，其他条件相同时，粉末状样品与盐酸接触面积更大，反应速率更快，能在更短时间内完成反应，实验效率更高，因此选择粉末状样品更好。
(4) 由图丙可知反应过程中体系温度明显升高，温度升高一方面会使装置内气体受热膨胀，另一方面会让生成的二氧化碳中混有更多水蒸气，都会导致测得的气体体积偏大，影响测定准确性。
(5) 稀硫酸和碳酸钙反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$，会覆盖在贝壳样品的表面，隔绝稀硫酸和内部碳酸钙的接触，因此反应很快停止；加入氯化铵后反应重新产生气泡，说明氯化铵可以促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙能持续和稀硫酸接触，反应继续进行。
(6) 实际生成的二氧化碳体积为$(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{mL}$，二氧化碳的质量为$d\ \mathrm{g/mL} × (V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{mL} = d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}$。
设样品中碳酸钙的质量为$x$：
$\ce{CaCO_{3} + H_{2}SO_{4} = CaSO_{4} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
$100\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad 44$
$x\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}$
列比例式：$\dfrac{100}{44} = \dfrac{x}{d(V_3 - V_1 - V_2)\ \mathrm{g}}$，解得$x = \dfrac{25d(V_3 - V_1 - V_2)}{11}\ \mathrm{g}$。
因此碳酸钙的质量分数为$\dfrac{\dfrac{25d(V_3 - V_1 - V_2)}{11}\ \mathrm{g}}{m\ \mathrm{g}} × 100\% = \dfrac{2500(V_3 - V_2 - V_1)d}{11m}\%$。
【答案】
(1) $\ce{CaCO_{3} + 2HCl = CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
(2) $\ce{CO_{2}}$能溶于水并能与水发生反应；将生成的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变浑浊，则证明生成的气体为$\ce{CO_{2}}$
(3) 其他条件相同时，粉末状样品与盐酸反应速率较快，效率高
(4) 温度升高，气体膨胀(或温度升高，二氧化碳中水蒸气含量增加等合理答案均可)
(5) 稀硫酸与贝壳反应生成微溶于水的$\ce{CaSO_{4}}$覆盖在贝壳样品的表面，阻止反应继续进行；促进微溶的$\ce{CaSO_{4}}$溶解，使碳酸钙与稀硫酸继续反应
(6) $\dfrac{2500(V_{3}-V_{2}-V_{1})d}{11m}\%$
【知识点】
1. 二氧化碳的性质与检验
2. 影响反应速率的因素
3. 化学方程式相关计算
【点评】
本题是综合性较强的物质组分定量测定实验题，既覆盖了二氧化碳性质、酸和碳酸盐反应等基础核心知识点，又结合图像分析、新信息应用考察学生的实验探究能力，其中第六问需要校正加入液体占据的体积，是本题的高频易错点，能够有效区分学生对定量实验原理的理解程度。
【难度系数】
0.45
