資源簡介

微項目:揭秘索爾維制堿法和侯氏制堿法——化學平衡思想的創造性應用
(見學生用書P150)
1.通過認識制堿工業中更復雜平衡體系,學會分析溶液中的微粒和平衡,理解平衡之間的相互影響,能根據實際需求選擇調控平衡移動的方法。
2.通過了解工業制堿的原理,體會化學原理的巧妙應用,了解我國科學家對制堿工業做出的巨大貢獻。
1.碳酸鈉與碳酸氫鈉
碳酸鈉(Na2CO3) 碳酸氫鈉(NaHCO3)
熱穩定性 穩定,受熱不分解 不穩定,受熱易分解:2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O
與H+反應 2H++CH2O+CO2↑(H+過量)或H++CHC(H+不足) H++HCH2O+CO2↑(在水溶液中,同濃度的NaHCO3產生CO2的速率比Na2CO3快)
與NaOH溶液 反應 不反應 NaOH+NaHCO3Na2CO3+H2O
與Ca(OH)2 溶液反應 Ca2++CCaCO3↓ 堿過量,離子方程式為Ca2++OH-+HCCaCO3↓+H2O;堿不足,離子方程式為Ca2++2OH-+2HCCaCO3↓+C+2H2O
與BaCl2 溶液反應 離子方程式為Ba2++CBaCO3↓ 不反應
主要用途 制玻璃、造紙、制皂、洗滌 制發酵粉、醫藥、滅火器
相互轉化 Na2CO3NaHCO3
2.影響化學平衡的因素
改變的條件(其他條件不變) 化學平衡移動的方向
濃度 增大反應物濃度或減小生成物濃度 向正反應方向移動
減小反應物濃度或增大生成物濃度 向逆反應方向移動
壓強(對有氣體 參加的反應) 反應前后氣體體積改變 增大壓強 向氣體分子總數減小的方向移動
減小壓強 向氣體分子總數增大的方向移動
反應前后氣體體積不變 改變壓強 平衡不移動
溫度 升高溫度 向吸熱反應方向移動
降低溫度 向放熱反應方向移動
催化劑 同等程度改變v正、v逆,平衡不移動
3.侯氏制堿法
生產流程可簡要表示如下:
注意事項:
(1)先在冷卻的條件下將氨氣通入飽和食鹽水中,再通入CO2。
(2)主要反應原理:NH3+H2O+CO2+NaClNaHCO3↓+NH4Cl、2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O。
(3)循環Ⅰ的設計使原料氯化鈉的利用率從70%提高到90%以上。
(4)向母液中通氨氣,加入細小食鹽顆粒,冷卻析出副產品。通氨氣的作用:增大N的濃度,使NH4Cl更多地析出;使NaHCO3轉化為Na2CO3;提高析出的NH4Cl的純度。
項目活動1　解讀索爾維制堿法
無水碳酸鈉,俗名純堿、蘇打。它是玻璃、造紙、肥皂、洗滌劑、紡織、制革等工業的重要原料,還常用作硬水的軟化劑,也用于制造鈉的化合物。它的工業制法主要有索爾維制堿法和侯氏制堿法兩種。
索爾維法(又稱氨堿法),是比利時工程師索爾維于1861年發明的純堿制法。氨堿法使生產實現了連續性生產,食鹽的利用率得到提高,產品質量純凈,因而被稱為純堿,但最大的優點還在于成本低廉。1867年索爾維設廠制造的產品在巴黎世界博覽會上獲得銅制獎章,此法被正式命名為索爾維法。
索爾維以食鹽(氯化鈉)、石灰石(經煅燒生成生石灰和二氧化碳)、氨氣為原料來制取純堿。先使氨氣通入飽和食鹽水中制成氨鹽水,再通入二氧化碳生成溶解度較小的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨溶液,其化學反應原理是NaCl+NH3+H2O+CO2NaHCO3↓+NH4Cl。將經過濾、洗滌得到的NaHCO3晶體煅燒制成純堿,2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑,放出的CO2可回收循環使用。含有氯化銨的濾液與石灰乳[Ca(OH)2]混合加熱,放出的氨氣可回收循環使用,2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O。其工業生產的簡單流程如圖所示:
問題生成
1.飽和食鹽水中為什么先通入氨氣,再通入二氧化碳氣體 兩者的先后順序能不能互換
答案　氨氣在水中的溶解度大,在堿性環境中可以增大CO2的溶解度,后通入CO2氣體可以形成更多的NaHCO3,當溶液飽和后NaHCO3形成沉淀析出;若在水中先通入CO2,由于其在中性環境中溶解度小,溶液中形成的NaHCO3變少,則析出的晶體也變少,所以兩者的先后順序不能互換。
2.索爾維法的優點是什么
答案　原料(食鹽和石灰石)便宜;產品純堿的純度高;副產品氨和二氧化碳都可以回收循環使用;制造步驟簡單,適合大規模生產。
3.索爾維法有哪些缺點
答案　兩種原料的成分都只利用了一半——食鹽中的Na+和石灰石中的C結合成了碳酸鈉,可是食鹽中的Cl-和石灰石中的Ca2+卻結合成了沒有多大用途的CaCl2,因此如何處理氯化鈣成為一個很大的負擔。
(1)工業生產要求原料易得,如索爾維以食鹽、石灰石(經煅燒生成生石灰和二氧化碳)、氨氣為原料來制取純堿。
(2)工業生產需要降低成本,減少排放,因此物質的循環利用非常重要。
1.模擬“索爾維法”制取NaHCO3的部分裝置如圖所示。下列操作正確的是(　　)。
A.a口通入CO2,然后b口通入NH3,c中放堿石灰
B.b口通入NH3,然后a口通入CO2,c中放堿石灰
C.a口通入NH3,然后b口通入CO2,c中放蘸稀硫酸的脫脂棉
D.b口通入CO2,然后a口通入NH3,c中放蘸稀硫酸的脫脂棉
答案　C
解析　索爾維法的原理是向飽和的NaCl溶液中先通入NH3,然后通入CO2,生成的碳酸氫鈉因溶解度小而析出。所以a口通入NH3,然后b口通入CO2?？紤]NH3的尾氣處理,所以選擇放蘸稀硫酸的脫脂棉,C項正確。
2.工業生產純堿的工藝流程如圖所示:
完成下列填空:
(1)粗鹽水加入沉淀劑A、B去除雜質(沉淀劑A來源于石灰窯廠),寫出A、B的化學式:A　　　　　,B　　　　。
(2)工業生產純堿的工藝流程中,碳酸化時產生的現象是　　　　　　　　　　　　　。碳酸化時沒有析出碳酸鈉晶體,其原因是　
　。
(3)碳酸化后過濾,濾液D中最主要的成分是　　　　　　　　(填化學式),檢驗這一成分的陰離子的具體方法是　
　。
(4)索爾維法流程中氨可循環使用,因此向濾液D中加入石灰水產生氨。加石灰水后發生反應的離子方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　　,向濾液D中加石灰水前先要加熱,原因是　
　。
答案　(1)Ca(OH)2(或CaO)　Na2CO3
(2)有晶體析出(或出現渾濁)　碳酸鈉的溶解度比碳酸氫鈉的大
(3)NH4Cl　取樣,先加硝酸酸化,后加硝酸銀溶液,若有白色沉淀產生,則該陰離子是氯離子
(4)N+OH-NH3↑+H2O　防止加石灰水時產生碳酸鈣沉淀
解析　(1)沉淀劑A來源于石灰窯,說明其是生石灰或熟石灰;粗鹽中的鎂離子和鈣離子一般用碳酸鈉除去,多余的C可以用鹽酸除去。(4)濾液D中主要含有的是氯化銨,氯化銨和石灰水發生反應N+OH-NH3↑+H2O;由于濾液中還含有一定量的碳酸氫鈉,因此加石灰水前先加熱,是為了防止加石灰水時產生碳酸鈣沉淀。
項目活動2　體會侯氏制堿法的創新
索爾維制堿法的缺點主要在于原料中各有一半的成分沒有利用上,只用了食鹽中的Na+和石灰中的C,二者結合才生成了純堿。食鹽中的Cl-和石灰中的Ca2+結合生成了氯化鈣,這個產物沒有利用上。侯氏制堿法,又稱聯合制堿法,是侯德榜先生在索爾維制堿法的基礎上,通過不斷試驗改良,依據離子反應發生的原理制造碳酸鈉的技術。因為是侯德榜先生首先發現的,故命名為侯氏制堿法。
侯氏制堿法是依據離子反應發生的原理進行的,離子反應會向著離子濃度減小的方向進行。
侯氏制堿法包括兩個過程:第一個過程與氨堿法相同,將氨通入飽和食鹽水中制成氨鹽水,再通入二氧化碳生成碳酸氫鈉沉淀,經過濾、洗滌得NaHCO3晶體,再煅燒NaHCO3制得純堿,過濾所得濾液中含有氯化銨和氯化鈉。第二個過程是從含有氯化銨和氯化鈉的濾液中結晶沉淀出氯化銨晶體。由于氯化銨在常溫下的溶解度比氯化鈉要大,低溫時的溶解度則比氯化鈉小,而且氯化銨在氯化鈉的濃溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。因此在低溫條件下,向濾液中加入細粉狀的氯化鈉,并通入氨氣,可以使氯化銨單獨結晶沉淀析出,經過濾、洗滌和干燥即得氯化銨產品。此時濾出氯化銨沉淀后所得的濾液,已基本上被氯化鈉飽和,可回收循環使用。其工業生產的簡單流程如圖所示:
問題生成
1.侯氏制堿法與索爾維制堿法相比,其最大的優點是什么
答案　食鹽的利用率可達98%,應用同量的食鹽比索爾維制堿法生產更多的純堿。
2.侯氏制堿法可獲得哪些工業產品
答案　純堿和氯化銨。將氨廠的廢氣二氧化碳轉變為堿廠的主要原料來制取純堿,這樣就節省了堿廠里用于制取二氧化碳的龐大的石灰;將堿廠的無用的成分氯離子(Cl-)來代替價格較高的硫酸固定氨廠里的氨,制取氮肥氯化銨。
3.侯氏制堿法的優越性體現在何處
答案　不再生成沒有多大用處,又難以處理的氯化鈣,減少了對環境的污染,并且大大降低了純堿和氮肥的成本,充分體現了大規模聯合生產的優越性。
1.分析真實溶液問題的一般思路
(1)分析溶液的物質組成、微粒和相互作用
真實溶液的復雜問題歸根結底是溶液中的物質及其相互作用的問題。例如,要尋找索爾維法食鹽利用率低的原因,需要分析制堿母液的組成及微粒,母液處理過程中的反應和平衡移動,以及廢液的組成及微粒。
(2)根據目標確定待解決的關鍵問題
真實問題解決需要明確目標,有目的地調控溶液中的物質組成、微粒和平衡。例如,要提高食鹽利用率、避免Na+的浪費,就需要重新利用索爾維法排放的廢液。為此,需要設法增大母液中有用微粒Na+和HC的濃度,同時考慮母液中其他微粒是否會影響生產,以及如何處理。
(3)基于信息和數據進行推理
真實溶液中,物質可能發生多次、多種相互作用?；谛畔⒑蛿祿?可以進行合理的推論。例如,基于氯化銨的溶解度數據以及氯化鈉的溶解度隨溫度的變化,可以推測“冷析”過程的產物及目的。
2.侯氏制堿法對制堿工業的巨大貢獻
侯氏制堿法的食鹽利用率可達98%,并可與合成氨工業聯合生產,充分利用合成氨工業提供的氨氣、二氧化碳等原料。侯氏制堿法對我國純堿工業和國民經濟發展做出了巨大貢獻,至今仍是我國純堿生產的主要方法之一。
1.與索爾維制堿法相比,侯氏制堿法最突出的優點是(　　)。
A.原料利用率高　　　　　　B.設備少
C.循環利用的物質多 D.原料易得
答案　A
解析　索爾維法缺點:大量CaCl2用途不大,NaCl利用率只有70%,約有30%的NaCl留在母液中。侯氏制堿法的優點:把合成氨和純堿兩種產品聯合生產,提高了食鹽利用率,縮短了生產流程,減少了對環境的污染,降低了純堿的生產成本,保留了索爾維法的優點,消除了它的缺點,食鹽的利用率可達98%。
2.侯氏制堿法的主要生產流程如圖所示:
(1)沉淀池中發生反應的化學方程式為　　　　　　　　　　　　　　　;煅燒爐中發生反應的化學方程式為　
　。
(2)常溫下,向飽和Na2CO3溶液中通入足量的CO2會有晶體析出,此晶體是NaHCO3。析出該晶體的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;在飽和食鹽水中先通入足量的氨,再通入足量的CO2,會有NaHCO3晶體析出,若在飽和食鹽水中先通入足量的CO2,再通入氨氣,往往沒有晶體析出,原因是　
　。
(3)檢驗產品碳酸鈉中是否含有氯化鈉的操作方法為
　。
答案　(1)NH3+H2O+NaCl+CO2NaHCO3↓+NH4Cl　2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑
(2)Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3↓,碳酸氫鈉的溶解度小于碳酸鈉,故會有碳酸氫鈉晶體析出　CO2在水中的溶解度很小,產生NaHCO3的量太少,不會析出晶體
(3)取少量產品于試管中,加水溶解,先加足量硝酸酸化,再加入硝酸銀溶液,若有白色沉淀生成,則產品中含有氯化鈉,若無白色沉淀生成,則不含氯化鈉
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