课题3　纯碱的生产教学设计及课堂实录

课题3

纯碱的生产

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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生产纯碱技术的发展过程。

3．掌握路布兰法—索尔维法—联合制碱法(侯氏制碱)。

一、氨碱法生产纯碱

1．纯碱的存在和用途

(1)存在

一些生长于盐碱地和海岸附近的植物中含有碳酸钠，可以从植物的灰烬中提取。大量的碳酸钠主要来自一些地表碱湖。

(2)用途

碳酸钠，俗名纯碱，是一种重要的化学基本工业产品。很多工业都要用到碳酸钠，如玻璃、制皂、造纸、纺织和漂染等。碳酸钠作为原料还可以用于生产其他含钠的化合物；碳酸钠也被大量地应用于生活中。

2．路布兰制碱的原料：硫酸、食盐、石灰石、木炭；缺点有：原料利用不充分、成本较高、设备腐蚀严重等。

3．氨碱法生产纯碱

(1)原料：食盐、氨(来自炼焦副产品)和二氧化碳(来自碳酸钙)。

(2)主要反应原理(写方程式)：

①将CO2通入含氨的饱和食盐水中：NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3，NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl。

△②碳酸钠的获取：2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。

【议一议】

1．索尔维法生产纯碱的过程，经过了哪几个阶段，简述氨碱法的优缺点。

答案

索尔维法制碱的主要过程可划分为以下几个阶段：

(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 (4)碳酸氢钠的转化：滤出碳酸氢钠后煅烧得到纯碱，同时回收二氧化碳再利用。

△2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O (5)氨的循环：将氯化铵加石灰乳分解，回收氨循环利用。

△2NH4Cl＋Ca(OH)2=====2NH3↑＋CaCl2＋2H2O 氨碱法生产纯碱的优缺点：

(1)优点：氨碱法生产纯碱具有原料(食盐和石灰石)价廉易得、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。

(2)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。

2．根据氨碱法的原理，首先配制氨化饱和食盐水，即向饱和食盐水中加入氨水(体积比1∶1)并充分搅拌；再将二氧化碳通入氨化饱和食盐水中，控制一定的温度，直至有碳酸氢钠析出。

请思考回答下列问题

(1)在析出NaHCO3的过程中涉及哪些化学平衡？

____________________ (2)向饱和食盐水中加入氨水和通入二氧化碳的先后顺序是先加氨水后通二氧化碳。是否可以先通二氧化碳后加氨水？为什么？

________________________________。

答案

(1)NH3＋H2OH2OH2CO3NH3·H2ONH＋4＋OH－，CO2＋H＋＋HCO－3，

H＋与OH－中和生成水，使上述两个平衡向右移动，NH＋HCO－HCO－4，3浓度增大，3和Na＋浓度的乘积超过NaHCO3的溶度积，析出NaHCO3晶体，Na＋(aq)＋HCO－3(aq) NaHCO3(s)。

(2)不可以。在常温下，氨在饱和食盐水中的溶解度很大，二氧化碳在饱和食盐水中的溶解度较小。若先通二氧化碳后加氨水，溶液里只能产生很小浓度的HCO－3，不利于生成NaHCO3沉淀。

二、联合制碱法

1．原料

联合制碱法，即将氨碱法与合成氨联合生产的改进工艺，原料为食盐、氨气和CO2，其中氨气和CO2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NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋△NH4Cl，2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。

【议一议】

简述联合制碱法的过程，获取副产品NH4Cl晶体的方法是什么？主要优点有哪些？

答案

(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。

(3)氨盐水碳酸化：NaCl＋H2O＋NH3＋CO2===NaHCO3↓＋NH4Cl。

△(4)制Na2CO3回收CO2：2NaHCO3=====Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑。

(5)循环制NH4Cl：析出NaHCO3后的母液中吸收NH3，降温加食盐，析出NH4Cl，滤出NH4Cl后再经氨化、碳酸化制碱。

优点：使食盐的利用率提高到96%，NH4Cl可作化肥，革除了CaCO3制CO2的工序，降低了生产成本。

氨碱法与联合制碱法的比较

联合制碱法

索尔维制碱法

NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl 化学反应

△2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

NH4Cl △2NH4Cl＋Ca(OH)2=====2NH3↑＋CaCl2＋2H2O △2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

主要原料

食盐、氨、二氧化碳、水

食盐、氨(来自炼焦厂)、

二氧化碳(来自碳酸钙)、水

将精制食盐水经氨化、碳酸化反应生成碳酸氢钠。过滤出碳酸氢钠，将碳酸氢钠煅烧制得纯碱，滤液(称为母液盐水的精制；盐水氨化、主要生产过程

Ⅰ)用于制氯化铵。使母液Ⅰ吸氨，降碳酸化；碳酸氢钠的转化温并加食盐粉，使氯化铵逐步从母液和二氧化碳的循环；氨的Ⅰ中结晶析出，再经过滤(滤液称为母液Ⅱ)、干燥制得氯化铵产品。再将母液Ⅱ进行氨化、碳酸化制成纯碱

生产过程中所需要的氨和二氧化碳都是由合成氨厂提供的，从滤出碳酸氢钠后所得到的母液中可回收氯化铵，因此，它保留了氨碱法的优点，主要优点

克服了它的缺点，使氯化钠的利用率提高到了96%以上。联合制碱法既体现了大规模联合生产的优越性，也是综合利用原料、降低成本、减少环境污染的典型代表

原料食盐中的另一成分Cl－和石灰石中的另一成分Ca2＋生成氯化钙，如何设备循环处理量大，加重了设备的腐蚀

处理它成为氨碱法生产的一个问题；氨碱法生产中食盐的利用率不高，大约只有70%，如何提高食盐的利用率成为氨碱法的另一个问题

【例题】

我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如图所示。

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优点。

循环

主要缺点

(1)上述生产纯碱的方法称________，副产品的一种用途为________。

(2)沉淀池中发生反应的化学方程式是____________________。

(3)写出上述流程中物质X的分子式________。

(4)使原料氯化钠的利用率从70%提高到96%以上，主要是设计了________(填上述流程中的编号)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NH＋4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

答案

(1)联合制碱法或侯氏制碱法

作化肥或作电解液等(其他合理答案均可) (2)NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓

(3)CO2

(4)Ⅰ

过滤

(5)硝酸酸化的硝酸银溶液

(6)a、c 解析

本题主要考查侯氏制碱法的生产原理及生产工艺和Cl－的检验等。

(1)侯氏制碱法的副产物是NH4Cl，可作化肥等。(2)根据联合制碱法的生产原理，可知向食盐水中通入氨气是为了得到碱性溶液，以吸收更多的CO2，当CO2过量时发生反应：NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3，NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋△NH4Cl。(3)在煅烧炉中NaHCO3受热分解，发生2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑，故X为CO2。(4)因为氯化钠最后剩余在母液中，所以要提高NaCl的利用率必须将过滤出NaHCO3后的母液循环利用。(5)要检验碳酸钠中是否混有NaCl，只需向溶液中加硝酸酸化的AgNO3溶液，看是否有白色沉淀生成即可。(6)增大铵根离子的浓度有利于氯化铵的析出，所以选项a正确；通入氨气使溶液碱性增强，使碳酸氢钠转化为溶解度较大的碳酸钠，可以提高氯化铵的纯度，所以选项c正确，选项b错误。

变式训练

下图是历史上出现的两种纯碱制造方法工艺流程，根据流程图回答有关问题：

(1)下列反应原理在索尔维制碱法中没有使用到的是________(填序号)。

△A．2NH4Cl＋Ca(OH)2=====CaCl2＋2NH3↑＋2H2O △B．NH4Cl=====NH3↑＋HCl↑

煅烧C．2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

D．NH3＋CO2＋NaCl＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl (2)在两种方法中都是先向盐水中通入NH3，然后再通入CO2，其原因是：___________________。

(3)在两种方法中都可以循环使用的物质是________(填化学式)。

(4)侯氏制碱法中母液Ⅰ转化为母液Ⅱ的目的是_______________。

(5)从两种流程看，侯氏制碱法具有哪些优点？

___________________。

答案

(1)B (2)CO2在盐水中溶解度小，先通入NH3可以使通入的CO2被充分吸收并反应

(3)CO2

(4)母液Ⅰ吸收氨后，降温并加入食盐粉，使NH4Cl结晶析出，得到不需要再精制的食盐水重新用于生产

(5)不产生CaCl2废料，同时得到纯碱与NH4Cl两种产品，食盐利用率高等

解析

(1)从索尔维制碱法的工艺流程图可以看出，B选项的反应没有发生。(2)由于CO2在盐水中溶解度小，若先通入NH3，则可以使溶液显碱性，有利于CO2

的吸收与反应。(3)从两个流程图可以看出，NaHCO3可分解，分解得到的CO2可以循环使用。(4)母液Ⅰ吸收氨后，降温并加入食盐粉，使溶解度小的NH4Cl结晶析出，并得到不需要再精制的食盐水可重新用于生产。(5)与索尔维制碱法相比，侯氏制碱法具有不产生CaCl2废料，同时得到纯碱与NH4Cl两种产品，食盐利用率高等优点。

1．反应：NaCl＋CO2＋NH3＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl是“氨碱法”的重要反应，以下是对该反应涉及的有关知识的部分见解，其中不正确的是(

) A．该条件下NaHCO3的溶解度较小

B．NaHCO3不是纯碱

C．析出固体后的溶液为NaHCO3的不饱和溶液

D．析出固体后的溶液为NaHCO3的饱和溶液

答案

C 解析

析出NaHCO3晶体后溶液必然为饱和溶液。

2．以下关于氨碱法与联合制碱法的认识，不正确的是(

) A．氨碱法生产纯碱的原料便宜易得，步骤简单，是最早的制碱工艺

B．联合制碱法又称侯氏制碱法，是侯德榜在氨碱法的基础上改造形成的

C．在联合制碱法中，氯化钠的利用率比氨碱法中的高

D．联合制碱法避免了氨碱法中对氯化钙的处理

答案

A 解析

氨碱法生产纯碱的原料为食盐和石灰石，便宜易得，但它并非最早的制碱工艺，最早的制碱方法是路布兰法。氨碱法的产品纯度较高，制造步骤也比较简单，但氯化钠的利用率不高，生产过程中产生的氯化钙难处理，是氨碱法的一大缺点。联合制碱法是侯德榜在氨碱法的基础上改造形成的，因此也称侯氏制碱法，该法继承了氨碱法的优点，克服了它的缺点。

3．1791年，法国医生路布兰首先获得制碱专利，以食盐、浓硫酸、石灰石、煤为原料制碱，该方法分三步：

①用NaCl与H2SO4反应制Na2SO4：

△2NaCl＋H2SO4=====Na2SO4＋2HCl↑

②用焦炭还原Na2SO4制Na2S：

煅烧Na2SO4＋2C=====Na2S＋2CO2↑

③用硫化钠与石灰石反应制Na2CO3：

煅烧Na2S＋CaCO3=====Na2CO3＋CaS 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．该方法原料利用率较高

答案

B 解析

只有②有化合价的变化。

4．以下关于索尔维制碱法的描述不正确的是(

) A．使用的原料为食盐、CO2、氨

B．精制盐水后应先通入NH3再通入过量的CO2

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

答案

C 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。