课题3　纯碱的生产

1．了解纯碱的生产及发展过程。 2．了解天然碱的生产与化工生产之间的联系及了解技术的发展过程。 3．掌握路布兰法——索尔维法——联合制碱法(侯氏制碱)的基本原理。

碳酸钠的俗名叫 ，可用来制 、 、 、 和 ，碳酸钠作为原料可用来生产钠的化合物，还大量应用于 中，我国素有“ ”之称。 一、纯碱及其用途 碳酸钠的俗名叫 ，可用来制 、 、 、 和 ，碳酸钠作为原料可用来生产钠的化合物，还大量应用于 中，我国素有“ ”之称。 二、路布兰制碱法 1．原料： 、 、 、 。 2．生产原理 路布兰制碱法的生产原理用化学反应方程式表示为： 纯碱 纺织 漂染 玻璃 制皂 造纸 生活 口碱 硫酸 食盐 木炭 石灰石

(3)缺点：路布兰制碱法生产纯碱具有 ， 、 等缺点。 (1)生成Na2SO4： (2)生成Na2CO3： (3)缺点：路布兰制碱法生产纯碱具有 ， 、 等缺点。 原料利用不充分 成分较高 设备腐蚀严重

三、氨碱法生产纯碱 1．原料 氨碱法是以 和 为原料生产碳酸钠的过程，但因二者不能自发进行反应，故而实际上，索尔维发明的氨碱法是以 、 和 为原料，通过一系列反应来生产碳酸钠。 碳酸钠 氯化钠 二氧化碳 食盐 氨

氨碱法是由比利时人 发明的，所以也称为 法，其生产原理用化学方程式表示为： 2．生产原理 氨碱法是由比利时人 发明的，所以也称为 法，其生产原理用化学方程式表示为： ， 。 索尔维 索尔维 制碱

联合制碱法，即将 与 联合生产的改进工艺，原料为 、 和 ，其中 和 来自于合成氨。 四、联合制碱法 1．原料 联合制碱法，即将 与 联合生产的改进工艺，原料为 、 和 ，其中 和 来自于合成氨。 2．反应原理 联合制碱法的主要化学反应方程式是： ， 。 氨碱法 合成氨 二氧化碳 氨气 氯化钠 氨气 二氧化碳 NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl

一、索尔维制碱法(氨碱法) 索尔维法制碱生产的主要过程可划分为哪几个阶段？ [师生互动] 【提示】　(1)盐水的精制：在配制的饱和食盐水中，加入熟石灰和纯碱，以除去食盐水中的Mg2＋和Ca2＋。 (2)盐水氨化：在精制盐水中，通入氨气制成氨盐水。 (3)氨盐水碳酸化：使氨盐水吸收二氧化碳，生成碳酸氢钠和氯化铵。 NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl

索尔维法制碱的工艺流程是怎样的？ [学生交流] 【提示】　索尔维制碱法的工艺流程

氨碱法有何优、缺点？ [师生互动] 【提示】　优点：氨碱法生产纯碱具有原料(食盐和石灰石)便宜易得、产品纯度高、氨和部分二氧化碳可循环使用、制造步骤简单、生产过程连续且规模大等。 缺点：大量CaCl2用途不大，NaCl利用率只有70%，约30%的NaCl留在母液中。

以下关于索尔维制碱法的描述正确的是(　　) A．使用的原料为食盐、CO2、氨 B．精制盐水后应先通入CO2再通入过量的NH3 C．析出NaHCO3后的母液中已无NaCl，只有NH4Cl D．索尔维法的缺点是盐利用率只有70%，生成的CaCl2难处理

【解析】　索尔维制碱法又叫氨碱法，主要原料有食盐、氨和CO2；反应的原理为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，而NH3与CO2为1∶1时才能生成NaHCO3，但CO2在水中溶解度小，先通入CO2，CO2溶解度小，再通入NH3时，NH3过量而CO2太少；析出NaHCO3后母液中仍有NaHCO3、NaCl、NH4Cl；加入石灰后回收NH3，但生成的CaCl2吸水性强，呈黏稠状无法处理。 【答案】　AD

1.1892年比利时人索尔维以NaCl、CO2、NH3、H2O为原料制得了纯净的Na2CO3，该法又称氨碱法，其主要生产流程如下：

下列有关说法不正确的是(　　) A．从理论上看，循环生产时不需要再补充NH3 B．从绿色化学原料的充分利用的角度看，该方法有两个明显的缺陷是：氯化钠未能充分利用和产生CaCl2废弃物 C．将NH4Cl作为一种化工产品，不再生产NH3来循环使用 D．从理论上看，每再生产1 mol Na2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是补充2 mol NaCl和1 mol CO2

【解析】　本题属于实验评价题。工业制碱的原理涉及反应：NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3＋NH4Cl,2NaHCO3===Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。索尔维法用生成的氯化铵制备氨气，将氯化铵进行了循环利用，所以从理论上讲，是不需要补充氨的。但是在生产过程中NaCl母液被弃去，氯化铵制备氨气生成了无用的氯化钙，这两点是索尔维法的缺陷。根据反应关系式及原子守恒，从理论上看每生产1 mol Na2CO3,2NaCl＋2NH3＋2CO2～2NaHCO3～Na2CO3＋CO2，再补充的物质及其物质的量分别是2 mol NaCl和1 mol CO2。 【答案】　C

二、侯德榜制碱法(联合制碱法) 联合制碱法的主要生产过程有哪些？ [师生互动] 【提示】　联合制碱法是将氨碱法与合成氨联合生产的改进工艺，制碱过程中所需的CO2和NH3都是由合成氨厂提供，其主要过程如下： (1)盐水精制：加入熟石灰和纯碱除去Ca2＋、Mg2＋。 (2)盐水氨化：精制盐水中通入NH3。

侯氏制碱法的工艺流程是怎样的？ [师生互动] 【提示】　侯氏制碱法的工艺流程

侯氏制碱法比索尔维制碱法有何优越性？ [学生交流] 【提示】　保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可作氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。

我国著名化学家侯德榜先生发明的“侯氏制碱法”，因原料利用率高，并能进行连续生产，从而享誉中外。“侯氏制碱法”的基本做法是向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳，获得碳酸氢钠晶体，再将所得碳酸氢钠晶体加热分解后即可得到纯碱。它的反应原理可用下列化学方程式表示：

某课外兴趣小组同学按照“侯氏制碱法”原理，设计了如下一套实验装置： 实验室可供选用的药品有：浓氨水、纯碱、大理石、稀盐酸、稀硫酸、熟石灰、氯化铵、氯化钠。

(1)A、D中最合适的试剂(填名称)为： A________；D________。 (2)本实验具体操作过程中，应先通________气体，再通________气体；原因是_____________________。 (3)指出该装置中的错误(至少两处)：___________。 (4)在改进装置后，该同学进行了实验，实验所用的饱和NaCl溶液中含溶质58.5 g，实验最后得到无水碳酸钠26.0 g，则其产率为多少？________。该同学针对其实验结果，认真分析了造成损失的原因，发现其操作步骤并没有错误，则主要原因是_____________________________________________。

(5)在“侯氏制碱法”工业生产中，原料的利用率高，大大降低了成本。请问本实验中哪些物质可重复利用？ ______________________________________。 【解析】　根据反应原理，实验操作过程为：先制得NH3(左边装置)和CO2(右边装置)，再将制得的气体依次通入饱和食盐水中即得碳酸氢钠晶体，再加热碳酸氢钠晶体就可以得到纯碱。

【答案】　(1)氯化铵和熟石灰　稀盐酸　(2)NH3　CO2　CO2在水中溶解度小，先通NH3至饱和，有利于NaHCO3析出 (3)B、C之间缺少止水夹；B装置应与大气相通，不能为密闭装置；通NH3的导管不应伸入液面以下(任填两种即可)　(4)根据钠元素守恒，得关系式：2NaCl～Na2CO3，m(Na2CO3)＝106×58.5/117＝53.0 g，则Na2CO3的产率为26.0 g/53.0 g×100%＝49.0%　NaHCO3在水中有较大的溶解度，未能全部沉淀出来　(5)NH4Cl，CO2 【点评】　本题以侯氏制碱法的原理为切入点，分别考查药品的选用、操作过程分析、实验装置评价、化学计算、化工生产原理等。

A．A气体是NH3，B气体是CO2 B．第Ⅲ步得到的晶体是发酵粉的主要成分 C．第Ⅲ步操作用到的主要玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒 D．第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶 【解析】　“侯氏制碱法”是中学阶段常研究的四大工业生产知识之一，主要应注重对其反应原理的理解。它是先制得氨化的饱和食盐水，再往其中通入CO2(即是往饱和食盐水中依次通入足量的NH3、CO2，不能依次通入CO2、NH3，因为NH3在水中的溶解度远远大于CO2，先将溶液氨化后，吸收CO2的效果更好)，第Ⅱ步即得到NaHCO3悬浊液，第Ⅳ步应将NaHCO3加热分解，以得到Na2CO3。 【答案】　D

在中国化学工业史上，有一位杰出的科学家，他为祖国的化学工业事业奋斗终生，并以独创的制碱工艺闻名于世界，他就像一块坚硬的基石，托起了中国现代化学工业的大厦，这位先驱者就是被称为“国宝”的侯德榜，曾以10科1 000分的好成绩被北平清华留美预备学堂录取！侯德榜一生勤奋好学，虽工作繁忙却还著书立说。

《纯碱制造》一书于1933年在纽约列入美国化学会丛书出版。这部化工巨著第一次彻底公开了索尔维法制碱的秘密，被世界各国化工界公认为制碱工业的权威专著，同时被相继译成多种文字出版，对世界制碱工业的发展起了重要作用。美国的威尔逊教授称这本书是“中国化学家对世界文明所作的重大贡献”。 思考：侯先生奉献了毕生的精力制备纯碱——碳酸钠，为什么要制备碳酸钠？它到底有什么重要用途呢？

【提示】　碳酸钠是一种非常重要的化工原料，在玻璃、肥皂、合成洗涤剂、造纸、纺织、石油、冶金、食品等工业中有着广泛的用途，在日常生活和生产中常用热的纯碱溶液来除去物品表面的油污。

1．在下列科学家中，为我国的化学工业做出重大贡献的是(　　) A．邓稼先　　　　 B．李四光 C．华罗庚 D．侯德榜 【解析】　这四位都是我国在世界上享有盛誉的著名科学家，邓稼先是核物理学家；李四光是地质学家；华罗庚是数学家；侯德榜是化工学家。 【答案】　D

下列说法正确的是(　　) A．②③两步都是氧化还原反应 B．只有第②步是氧化还原反应 C．该方法对生产设备基本没有腐蚀 D．该方法对环境污染较小 【解析】　依据氧化还原反应是有化合价变化的反应可知，第②步是氧化还原反应，故A错，B对；该生产中产生HCl，对生产设备严重酸蚀；第②步产生的CO是大气污染物，故C、D错。 【答案】　B

3．联合制碱法中关键的一步是把NH4Cl从几乎饱和的NaHCO3溶液里分离出来，为此根据NaCl和NH4Cl溶解度的差异，向混合溶液中通入某种气体，同时加入磨细的食盐，可析出不夹带NaHCO3的NH4Cl。NaCl和NH4Cl共同存在时的溶解度曲线如下图所示，以下操作正确的是(　　) 通入气体 温度控制 A CO2 30～40 ℃ B 0～10 ℃ C NH3 D

【解析】　由题图可知，溶液的温度在0～10 ℃的范围内，有利于NaCl的溶解和NH4Cl的析出。向溶液中加NaCl就是加Na＋和Cl－，向溶液中加NH3就是加OH－和NH4＋，这些都有利于NH4Cl的析出和NaHCO3的溶解。 【答案】　D

【解析】　“氨碱法”将NH4Cl和Ca(OH)2再反应，使NH3循环利用；“联合制碱法”是制得纯碱和副产品氯化铵。 【答案】　B

5．苏打和小苏打有着广泛的应用。试从消耗反应物的量等角度，回答下列问题。 (1)做面条时防止面粉较长时间储存变酸味，常加入适量的面碱，选用________，因为______________。 (2)作为泡沫灭火器的药品，选用________，因为________ ______________________________。 (3)用于洗涤餐具及实验室的玻璃仪器等，选用________，因为______________________________。

(4)胃溃疡(胃壁溃烂或穿孔)病人的胃酸过多，医生给病人服用Al(OH)3胶乳，既不用苏打也不用小苏打，是因为__________。 【解析】　解答第(2)题可从下面的反应比较有关量的关系。 Al3＋＋3HCO3－===Al(OH)3↓＋3CO2↑ 2Al3＋＋3CO32－＋3H2O===2Al(OH)3↓＋3CO2↑

【答案】　(1)苏打　中和等量的H＋，Na2CO3比NaHCO3的用量少(质量比为53∶84) (2)小苏打　产生等量的CO2，NaHCO3比Na2CO3的用量少(质量比为84∶106) (3)苏打　Na2CO3的水解程度比NaHCO3大，产生等量的OH－需Na2CO3的量较少 (4)Na2CO3、NaHCO3与胃液中的盐酸反应生成CO2气体会加速胃壁穿孔

6．我国化学家侯德榜(如图)，改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：

(1)上述生产纯碱的方法称________，副产品的一种用途为________。 (2)沉淀池中发生的化学反应方程式是________。 (3)写出上述流程中X物质的化学式________。 (4)使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了________(填上述流程中的编号)的循环，从沉淀池中取出沉淀的操作是________。

(5)为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加________。 (6)向母液中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品。通氨气的作用有________。 a．增大NH4＋的浓度，使NH4Cl更多地析出 b．使NaHCO3更多地析出 c．使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度

要检验Na2CO3中是否混有NaCl，只需向其溶液中加入硝酸酸化的AgNO3溶液看是否有白色沉淀即可。在向母液中通入NH3时发生反应HCO3－＋NH3===NH4＋＋CO32－，c(NH4＋)增大，NaHCO3转化为Na2CO3。 【答案】　(1)联合制碱法(或侯德榜制碱法)　化肥(或电解液或焊药等) (2)NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓(或NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3，NH4HCO3＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl)

(3)CO2 (4)Ⅰ　过滤 (5)稀硝酸和硝酸银溶液 (6)a、c