化学情境试题:炎夏常喝的碳酸饮料〔I〕

2020-06-19    收藏598
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在回答问题之前,首先请你阅读与本试题有关的情境描述,以增加你对本试题背景知识的了解;然后思考问题解决的策略,并且写下你的答案;最后用我们提供的参考答案检查你的答案是否正确。

情境描述

夏天到了,冰冰凉凉的碳酸饮料,相信是很多人的最爱,如图一所示。碳酸饮料不外乎是由碳酸水、糖、磷酸、咖啡因、香料、色素等所组成,并利用不同程度的压力将二氧化碳注入饮料中。

化学情境试题:炎夏常喝的碳酸饮料〔I〕

图一 冰凉的碳酸饮料为很多人夏天常喝的饮料
图片来源:jekert gwapo, http://www.flickr.com/photos/jekert/3743036507/

然而碳酸饮料不宜常喝,因碳酸饮料含有二氧化碳气体,会刺激胃液分泌,使胃酸过多容易感觉腹胀,降低食慾而减少日常饮食摄取。一罐355 mL铝罐装的可乐含有35公克糖,对牙齿健康将造成不良的影响外,且具相当于140卡,约半碗饭的热量。

碳酸(Carbonic acid),化学式H2CO3,是酸的一种。二氧化碳(CO2)溶于水后,一部分二氧化碳会与水化合,形成碳酸。该反应是一个可逆反应,如反应式[1]所示:

CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)    [1]该反应在常温下的水解平衡常数(hydration equilibrium constant),Kh = [H2CO3]/[CO2] = 1.70 × 10−3;因此大部分二氧化碳不会参与反应。

碳酸是一种二元酸,其解离分为两步骤,如反应式[2]和[3]所示,碳酸的解离常数如下所示:

H2CO3(aq) ⇌ HCO3−(aq) + H+(aq)    [2]

Ka1 = 2.5 × 10-4; pKa1 = 3.60 (25°C)

HCO3−(aq) ⇌ CO32−(aq) + H+(aq)    [3]

Ka2 = 5.61 × 10-11; pKa2 = 10.25 (25°C)

情境试题

1. 根据「相关情境描述」,二氧化碳溶于水中形成碳酸。

(1) 由反应式[1]观之,理论上碳酸的酸性(Ka1 = 2.5 × 10-4)比醋酸(Ka = 1.8 × 10-5)为强,试以拉电子基和推电子基说明之。
(2) 喝碳酸饮料的酸度不如吃食用醋,实际上碳酸的酸度比醋酸为度,试以浓度说明之。

2. 利用亨利定律,已知在25°C下二氧化碳的亨利定律常数为29.4 L-atm/mol,假设碳酸饮料中的二氧化碳的浓度不受其他物质干扰。

(1) 一般密闭瓶装的碳酸饮料之二氧化碳分压为2.5 atm,试计算在25°C下二氧化碳在水中的体积莫耳浓度。
(2) 承上题,一罐355 mL的铝罐装可乐有多少克的二氧化碳溶解在其中?有多少毫升的二氧化碳气体溶解在其中?(二氧化碳的莫耳质量为44.010 g/mol)
(3) 若打开碳酸饮料瓶之后再密闭,二氧化碳分压变为1.0 atm,试计算在25°C下二氧化碳溶于水中二氧化碳的体积莫耳浓度。

3. 根据「相关情境描述」,二氧化碳溶于水中

(1) 除了水和二氧化碳之外,还有哪些物种(species)存在水中?
(2) 在STP下,其溶液之pH = 5.65,试计算各种物种在水中的浓度(除了水和二氧化碳之外)。

4. 二氧化碳溶于水中的酸度可以下面的反应式[4]表示,此反应的平衡常数被称为碳酸的解离常数。

CO2(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3−(aq) + H+(aq)    [4]

(1) 试计算此反应式在25°C和1.0 atm的二氧化碳分压下的Ka和pKa。
(2) 在25°C和2.5 atm二氧化碳分压下,已知 [HCO3− ] = 1.89 × 10−4 M,试计算此溶液之pH。

5. 一罐355 mL的铝罐装可乐含35克的蔗糖,此罐可乐的密度为1.12 g/mL,蔗糖的莫耳质量为342.30 g/mol,请问:

(1) 此罐可乐含有蔗糖的体积莫耳浓度为多少?
(2) 此罐可乐含有蔗糖的重量百分比为多少?

6. 经定量分析,355 mL铝罐装的可口可乐含磷酸(H3PO4)的最高浓度为389 ppm P2O5,此罐可乐的密度为1.12 g/mL,莫耳质量:H3PO4 = 98.00 g/mol,P2O5 = 141.94 g/mol,请问:

(1) 此罐可乐含磷酸的重量多少?
(2) 此罐可乐含磷酸的重量百分比为多少?
(3) 此罐可乐含磷酸的体积莫耳浓度为多少?

连结:炎夏常喝的碳酸饮料(Carbonated Beverages for a Summer Day)〔II〕


参考资料(撷取日期:2010年5月)

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