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碳酸钠与碳酸氢钠
概览
$\ce{Na2CO3}$（碳酸钠，俗称纯碱、苏打）与 $\ce{NaHCO3}$（碳酸氢钠，俗称小苏打）是钠的两种重要盐。二者都由 $\ce{Na+}$ 与含碳酸根构成，但酸根不同（$\ce{CO3^{2-}}$与$\ce{HCO3^{-}}$），导致热稳定性、溶解性、碱性与反应速率差异明显。本笔记重点对比二者的性质，掌握与酸/碱/盐的反应、相互转化规律、鉴别方法，并了解侯氏制碱法。
核心概念
- 俗称：$\ce{Na2CO3}$ — 纯碱、苏打、面碱；$\ce{NaHCO3}$ — 小苏打。
- 热稳定性：$\ce{Na2CO3}$ 受热不分解；$\ce{NaHCO3}$ 受热易分解：$\ce{2NaHCO3 \xrightarrow{\Delta} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}$。
- 溶解性：$\ce{Na2CO3}$溶解度比$\ce{NaHCO3}$大；同温度下碳酸钠易形成结晶水合物$\ce{Na2CO3\cdot 10H2O}$（风化）。
- 碱性：相同浓度下，$\ce{Na2CO3}$溶液的碱性强于$\ce{NaHCO3}$。
- 相互转化：$\ce{Na2CO3}$与$\ce{CO2}$/水/酸作用生成 $\ce{NaHCO3}$；$\ce{NaHCO3}$加热或加碱可转化为$\ce{Na2CO3}$。
重点知识
1. 碳酸钠与碳酸氢钠的性质对比
| 对比项 | $\ce{Na2CO3}$ | $\ce{NaHCO3}$ |
|---|---|---|
| 俗称 | 纯碱、苏打 | 小苏打 |
| 状态 | 白色粉末 | 白色细小晶体 |
| 溶解性 | 易溶（较大） | 可溶（较小） |
| 水溶液酸碱性 | 较强碱性 | 较弱碱性（也呈碱性） |
| 热稳定性 | 受热不易分解 | 受热易分解（约 150℃ 开始） |
| 与盐酸反应 | $\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + CO2 ^ + H2O}$ | $\ce{NaHCO3 + HCl -> NaCl + CO2 ^ + H2O}$ |
| 与盐酸反应快慢 | 慢（分两步，先生成 $\ce{HCO3^{-}}$） | 快（一步完成） |
| 与 $\ce{NaOH}$ | 不反应 | $\ce{NaHCO3 + NaOH -> Na2CO3 + H2O}$ |
| 与 $\ce{Ca(OH)2}$ | 生成$\ce{CaCO3}$沉淀 | 生成$\ce{CaCO3}$ 沉淀（量不同产物不同） |
| 与 $\ce{CO2}$ | $\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2NaHCO3}$ | 不反应 |
| 与 $\ce{CaCl2}$ | 生成$\ce{CaCO3}$ 沉淀 | 一般不反应（生成不沉淀） |
与盐酸反应的本质
$\ce{Na2CO3}$与盐酸反应是分两步进行的：先$\ce{CO3^{2-} + H+ -> HCO3^{-}}$，再 $\ce{HCO3^{-} + H+ -> CO2 ^ + H2O}$。因此滴加顺序不同，现象不同（正滴 vs 反滴）。
2. 热稳定性实验
- 装置：分别加热 $\ce{Na2CO3}$与$\ce{NaHCO3}$，用澄清石灰水检验放出的气体。
- 现象：$\ce{Na2CO3}$ 不分解，石灰水不变浑浊；$\ce{NaHCO3}$ 受热分解，石灰水变浑浊。
- 方程式：$\ce{2NaHCO3 \xrightarrow{\Delta} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}$
- 结论：热稳定性 $\ce{Na2CO3}$>$\ce{NaHCO3}$（碳酸氢盐一般都不稳定）。
钠盐热稳定性规律
碳酸盐的热稳定性：$\ce{Na2CO3}$>$\ce{NaHCO3}$；一般"正盐 > 酸式盐"，且"碳酸盐 > 对应碳酸氢盐"。
3. 相互转化
$$\ce{Na2CO3 <=>[+CO2+H2O][+NaOH 或 \Delta] NaHCO3}$$
- $\ce{Na2CO3 -> NaHCO3}$：通入 $\ce{CO2}$ 或加适量酸（盐酸）： $$\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2NaHCO3}$$
- $\ce{NaHCO3 -> Na2CO3}$：加热，或加适量 $\ce{NaOH}$： $$\ce{2NaHCO3 \xrightarrow{\Delta} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}$$ $$\ce{NaHCO3 + NaOH -> Na2CO3 + H2O}$$
与 $\ce{CO2}$ 的量关系
向 $\ce{NaOH}$溶液通入$\ce{CO2}$ 时，$\ce{CO2}$少量生成$\ce{Na2CO3}$，过量生成 $\ce{NaHCO3}$：
- $\ce{2NaOH + CO2(少量) -> Na2CO3 + H2O}$
- $\ce{NaOH + CO2(过量) -> NaHCO3}$
4. 鉴别方法
| 方法 | 原理 |
|---|---|
| 加热法 | $\ce{NaHCO3}$分解产生$\ce{CO2}$（使石灰水变浑浊），$\ce{Na2CO3}$ 不分解 |
| 加盐酸速率 | 等量固体与等浓度盐酸反应，$\ce{NaHCO3}$ 产生气泡更快 |
| 加 $\ce{CaCl2}$/$\ce{BaCl2}$溶液 | $\ce{Na2CO3}$ 生成白色沉淀，$\ce{NaHCO3}$ 不沉淀 |
| 测 pH | 同浓度下 $\ce{Na2CO3}$ 溶液 pH 更大 |
口诀
"钠二碳三不分解，钠二氢碳热分解；苏打先慢后快冒，小苏打一口气跑完"——碳酸钠与盐酸分两步慢反应，碳酸氢钠一步快反应。
5. 侯氏制碱法
- 核心反应：$\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}$，利用 $\ce{NaHCO3}$ 溶解度较小而析出。
- 顺序：先通 $\ce{NH3}$（增大 $\ce{CO2}$溶解度），再通$\ce{CO2}$。
- 产物：$\ce{NaHCO3}$煅烧得$\ce{Na2CO3}$，副产 $\ce{NH4Cl}$（氮肥）。
- 详见 侯氏制碱法1、侯氏制碱法2。
6. 用途
- $\ce{Na2CO3}$：制玻璃、造纸、洗涤剂、纺织等；也用于工业制碱。
- $\ce{NaHCO3}$：焙制糕点（发酵粉）、治疗胃酸过多（中和胃酸）、泡沫灭火器（与酸反应生成 $\ce{CO2}$）。
典型例题
例题 1（热分解 + 差量计算）
题目：将 $16.8\ \mathrm{g}$的$\ce{NaHCO3}$固体充分加热至质量不再变化，求所得$\ce{Na2CO3}$的质量和放出的$\ce{CO2}$ 在标准状况下的体积。
分析：$\ce{NaHCO3}$摩尔质量为$84\ \mathrm{g/mol}$，$\ce{Na2CO3}$为$106\ \mathrm{g/mol}$。由方程式 $\ce{2NaHCO3 \xrightarrow{\Delta} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}$可知$2\ \mathrm{mol}\ \ce{NaHCO3}$生成$1\ \mathrm{mol}\ \ce{Na2CO3}$和$1\ \mathrm{mol}\ \ce{CO2}$。
解答： $$n(\ce{NaHCO3}) = \dfrac{16.8\ \mathrm{g}}{84\ \mathrm{g/mol}} = 0.2\ \mathrm{mol}$$ $$n(\ce{Na2CO3}) = 0.1\ \mathrm{mol},\qquad m(\ce{Na2CO3}) = 0.1 \times 106 = 10.6\ \mathrm{g}$$ $$n(\ce{CO2}) = 0.1\ \mathrm{mol},\qquad V(\ce{CO2}) = 0.1 \times 22.4 = 2.24\ \mathrm{L}$$
点评：热分解差量问题，按方程式系数比换算即可。也可用"固体质量差"检验：$16.8 - 10.6 = 6.2\ \mathrm{g}$，恰等于 $0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{CO2}(4.4\ \mathrm{g}) + 0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{H2O}(1.8\ \mathrm{g})$。
例题 2（碳酸钠与盐酸反应的滴加顺序）
题目：向 $100\ \mathrm{mL}$浓度为$1\ \mathrm{mol/L}$的$\ce{Na2CO3}$溶液中逐滴加入$0.5\ \mathrm{mol}$的$\ce{HCl}$，求生成 $\ce{CO2}$ 的体积（标准状况）。
分析：$n(\ce{Na2CO3}) = 0.1\ \mathrm{mol}$。滴加顺序为"向碳酸钠中滴盐酸"，先发生 $\ce{CO3^{2-} + H+ -> HCO3^{-}}$（消耗 $0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{H+}$，剩余 $0.4\ \mathrm{mol}\ \ce{H+}$），再发生 $\ce{HCO3^{-} + H+ -> CO2 ^ + H2O}$，但 $\ce{HCO3^{-}}$只有$0.1\ \mathrm{mol}$，故生成 $0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{CO2}$。
解答： 第一阶段：$\ce{CO3^{2-} + H+ -> HCO3^{-}}$，$0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{CO3^{2-}}$消耗$0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{H+}$，生成 $0.1\ \mathrm{mol}\ \ce{HCO3^{-}}$； 剩余 $\ce{H+}$：$0.5 - 0.1 = 0.4\ \mathrm{mol}$。
第二阶段：$\ce{HCO3^{-} + H+ -> CO2 ^ + H2O}$，$\ce{HCO3^{-}}$只有$0.1\ \mathrm{mol}$，$\ce{H+}$过量，故生成$\ce{CO2}$物质的量受$\ce{HCO3^{-}}$ 限制： $$n(\ce{CO2}) = 0.1\ \mathrm{mol},\qquad V(\ce{CO2}) = 0.1 \times 22.4 = 2.24\ \mathrm{L}$$
点评：碳酸钠中滴盐酸与盐酸中滴碳酸钠结果完全不同——前者分两步、先无气泡后有气泡；后者立即产生气泡。这类"顺序决定现象"的题目是高考必考点，务必分析清楚哪一步是限量试剂。
易错提醒
易错点
- 热稳定性：$\ce{Na2CO3}$ 受热不分解，$\ce{NaHCO3}$ 受热分解，勿混淆。
- $\ce{Na2CO3}$ 俗名"纯碱"但属于盐：显碱性（水解），但不是碱。
- 与盐酸反应的顺序问题：向 $\ce{Na2CO3}$中滴盐酸，先无气泡后产生气泡；向盐酸中滴$\ce{Na2CO3}$，立即产生气泡。两种滴加方式现象不同。
- $\ce{NaHCO3}$与$\ce{CaCl2}$/$\ce{BaCl2}$不反应（一般不生成沉淀），但$\ce{Na2CO3}$ 会生成沉淀，这是鉴别二者的简便方法。
- 除杂：$\ce{Na2CO3}$中混有$\ce{NaHCO3}$，用加热法；$\ce{NaHCO3}$中混有$\ce{Na2CO3}$，可通 $\ce{CO2}$（配成溶液）。
- 溶解度：$\ce{Na2CO3}$溶解度大于$\ce{NaHCO3}$（同温），侯氏制碱正是利用这一点使 $\ce{NaHCO3}$ 析出。
- 结晶水合物：$\ce{Na2CO3\cdot 10H2O}$在空气中易风化失水变为粉末状$\ce{Na2CO3}$。
与其他知识关联
- 侯氏制碱法与工业流程：见 侯氏制碱法1、侯氏制碱法2；
- $\ce{Na+}$与$\ce{K+}$ 的焰色试验检验见 常见离子的检验方法；
- 碳酸盐与酸反应的离子方程式属于"离子反应"范畴；
- 碱式盐/酸式盐的概念与后续"盐类水解"密切相关；
- 相关计算使用"物质的量"工具，见 物质的量。
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