课题3　纯碱的生产公开课参赛课教案

课题3《纯碱的生产》教学设计

一．教学内容

㈠、课程来源

家学内容选自人教版化学选修二第一章第三节课题《纯碱的生产》。

㈡、教学重难点

重点：识记纯碱发展的三个阶段

理解氨碱法的实验操作步骤

掌握氨碱法的反应原理

难点：理解氨碱法的原理

二．教学过程

【导入】纯碱的工业生产有多种方法，每一种方法都各有优势和不足，深入研究对于提高生产效益具有重大的现实意义。我们今天就来学习探究纯碱的生产。

【推进新课】

【板书】一、氨碱法生产纯碱

【教师讲】

化学反应原理：NaCl＋NH3＋H2O＋CO2＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl。

将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体加热煅烧即可制得纯碱产品：2NaHCO3=====Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑，放出的二氧化碳气体可回收循环使用。含有氯化铵的滤液与石灰乳〔Ca(OH)2〕混合加热，所放出的氨气可回收循环使用：CaO＋H2O＝＝＝Ca(OH)2,2NH4Cl＋Ca(OH)2＝＝＝CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。

氨碱法生产原理示意图：

△

【自主思考1】

索尔维法制碱为什么要向平衡体系中加入氨水？

二氧化碳溶于水形成的碳酸可电离出碳酸氢根，碳酸氢根与钠离子结合成碳酸氢钠，然后受热分解为碳酸钠。加入氨水的目的是为了使碳酸电离出更多的碳酸氢根，促使碳酸氢钠析出。

沉淀溶解平衡：Na＋HCO3电离平衡：H2O＋CO2＋－3(s) ＋2CO3＋＋HCO3

－－向以上平衡体系中加入氨，消耗H使电离平衡向右移动，增大了溶液中的HCO3浓度，

则沉淀平衡向右移动。

【教师讲解】

二、联合制碱法

联合制碱法包括两个过程：第一个过程与氨碱法相同，将氨通入饱和食盐水生成氨盐水，再通入二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，经过滤、洗涤得到NaHCO3微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有氯化铵和氯化钠的溶液。第二个过程是从含有氯化铵和氯化钠的滤液中结晶沉淀出氯化铵晶体。由于氯化铵在常温下的溶解度比氯化钠要大，低温时的溶解度则比氯化钠小，而且氯化铵在氯化钠的浓溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多，所以在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。此时滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上被氯化钠饱和，可回收循环使用。

联合制碱法生产原理示意图：

【自主思考2】

向饱和碳酸钠溶液中通入二氧化碳气体，会有什么现象产生？为什么？

CO2将与Na2CO3、H2O反应生成NaHCO3：Na2CO3＋H2O＋CO2＝＝＝2NaHCO3，由方程式知由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，CO2将与Na2CO3、H2O充分反应，且生成的NaHCO3质量肯定大于原溶液中的Na2CO3质量，而水的质量有所减少，故出现了白色沉淀。

【典题精讲】

知识点1：纯碱的制备

【例题1】

纯碱是一种重要的化工原料，目前制碱工业主要有“氨碱法”和“联合制碱法”两种工艺。请按要求回答问题：

(1)“氨碱法”产生大量CaCl2废弃物，请写出该工艺中产生CaCl2的化学方程式：________________。

(2)写出“联合制碱法”有关反应的化学方程式：________________；________________。

(3)CO2是制碱工业的重要原料，“联合制碱法”与“氨碱法”中CO2的来源有何不同？________________________________________________________________________。

(4)绿色化学的重要原则之一是提高反应的原子利用率。根据“联合制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：原子利用率(%)＝

_____________________________________。

解析：(4)小题，联合制碱法的反应式为：NH3＋CO2＋H2O＋NaCl＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl,2NaHCO3=====Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑，总反应可看作是：2NH3＋2NaCl＋CO2＋H2O＝＝＝Na2CO3＋2NH4Cl，所以，原子利用率(%)＝mNa2CO3＋mNH4Cl×100%。

mNaCl＋mNH3＋mCO2＋mH2O答案：(1)2NH4Cl＋Ca(OH)2=====2NH3↑＋CaCl2＋2H2O (2)NH3＋CO2＋H2O＋NaCl(饱和)＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl

2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

(3)“氨碱法”的CO2来源于石灰石煅烧，“联合制碱法”的CO2来源于合成氨工业的废气

mNa2CO3＋mNH4Cl(4)×100% mNaCl＋mNH3＋mCO2＋mH2O

①“氨碱法”的反应过程如下：将饱和的食盐溶液在冷却时用氨饱和，后在加压下通入二氧化碳(由碳酸钙分解而来)，由于NaHCO3溶解度较小而析出，将析出的NaHCO3晶体煅烧，即可制得碳酸钠。母液中的氯化铵加消石灰回收氨，以便循环利用。

反应方程：NH3＋CO2＋H2O＝＝＝NH4HCO3

NH4HCO3＋NaCl＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl 2NaHCO3＝＝＝Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

2NH4Cl＋Ca(OH)2＝＝＝2NH3↑＋CaCl2＋2H2O 优缺点：此法的优点是原料经济，能连续生产，副产物NH3和CO2可回收使用；缺点是大量的CaCl2用途不大，NaCl利用率只有70%左右，约有30%NaCl在母液中。

②“联合制碱法”的反应过程如下：将饱和的食盐溶液在冷却时用氨饱和，后在加压下通入二氧化碳(来源于合成氨工业的废气)，由于NaHCO3溶解度较小而析出，将析出的NaHCO3晶体煅烧，即可制得碳酸钠。根据氯化铵在常温时的溶解度比氯化钠大，而在低温时却比氯化钠溶解度小的原理，向母液中加入磨细的食盐粉末，产生同离子效应而使氯化铵单独结晶出来。

反应方程：NH3＋CO2＋H2O＝＝＝NH4HCO3

NH4HCO3＋NaCl＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl 2NaHCO3＝＝＝Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

优点：此法保持了氨碱法的优点，消除了它的缺点，一方面使食盐的利用率提高到96%，△△△目标产物总质量×100%＝反应物总质量

另一方面生产出的NH4Cl可做氮肥。此法是一种制碱和制氨相结合的联合生产方法。

【例题2】

工业制成纯碱，是在饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳，获得碳酸氢钠晶体，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：

NH3＋CO2＋H2O＝＝＝NH4HCO3①

NH4HCO3＋NaCl(饱和)＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl②

2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑③

用上述方法制得的工业纯碱中常含有少量的氯化钠，试设计实验测定纯碱样品中碳酸钠的质量分数。

解析：途径一：测定一定质量工业纯碱样品中氯离子(Cl)的质量。

测定样品中氯离子(Cl)的质量在中学化学阶段必须采取沉淀法：先往样品中加入过量的稀硝酸以排除碳酸根离子的干扰，然后向溶液中加入硝酸银溶液，使Cl完全沉淀后过滤、洗涤、干燥、称量，重复操作，直至前后两次称量的差值不超过0.1 g。

(1)实验中完全排除碳酸根离子干扰的判断。可以根据随着稀硝酸的加入是否有气泡继续产生来判断碳酸根离子的排除情况。(注意：不能用pH试纸控制至溶液呈强酸性，因为测定溶液pH时要消耗样品溶液) (2)实验中Cl完全沉淀的判断。取沉淀后的少许上层清液，滴加硝酸银溶液，观察溶液中是否有沉淀产生。若无沉淀产生，则表明Cl完全沉淀；若有沉淀产生，则把取样清液与原样品溶液混合后，继续滴加硝酸银溶液。重复操作，直至取样清液中滴加硝酸银溶液不再产生沉淀为止。该操作比较麻烦，且容易造成较大的系统误差。

(3)实验中过滤、洗涤、干燥、称量，重复操作，同样该操作很麻烦，容易造成很大误差。(且AgCl见光易分解) 途径二：测定一定质量工业纯碱样品中碳酸根离子(CO23)的质量。

－－－－－－△方案1：用沉淀法测定CO23的量。先往样品中加入适量水，待样品溶解后，向溶液中－加入可溶性钙盐和可溶性钡盐溶液将碳酸根离子完全沉淀，使CO2洗涤、3完全沉淀后过滤、－干燥、称量，重复操作，直至前后两次称量的差值不超过0.1 g。但这一方案存在着与途径二类似的缺点。

方案2：通过测定CO2的量来间接测定CO23的量。取一定量的样品，让样品与盐酸或－硫酸充分反应，测定反应生成的CO2的量，达到测定CO23的目的。测定CO2可以考虑测定－其体积，也可以考虑用碱性吸收剂吸收反应生成的CO2测定其质量。显然体积的测定不太方便，所以应该用碱性吸收剂吸收CO2来测定其质量。

图1所示装置存在的缺陷是装置中的碱石灰会吸收空气中的CO2和水蒸气，从而影响测定结果。为防止由此产生的干扰，得到图2所示的装置。分析图2装置会发现仍然存在严重的测量误差，这些误差产生的主要原因是：烧瓶中残留有CO2气体和生成的CO2中含有水。

图3所示装置能解决图2装置存在的问题，用N2将反应装置中生成的CO2排入浓H2SO4干燥，并用碱石灰吸收CO2气体。从取材方便、设计科学合理的角度来分析，实施这一方案最好是用图4的装置来测定。

图1

图2

图3

图4

方案3：用中和法测定CO23的量。取10.00 g样品，配成1 000 mL溶液，用碱式滴定－－1管量取25.00 mL放入锥形瓶中，加入甲基橙作指示剂，用0.15 mol·L的标准盐酸滴定至终点(有关反应为Na2CO3＋2HCl＝＝＝2NaCl＋H2O＋CO2↑)。完成三次平行实验后，消耗盐酸体积的平均值为30.00 mL，则纯碱样品中碳酸钠的质量分数为95.4%。

途径三：Na、Cl、CO23量的综合测定——测定一定质量工业纯碱样品完全转化为NaCl＋－－

的质量。

Na、Cl、CO23量的综合测定实质是利用质量差量来测定。取10.00 g样品，向其中加＋－－入过量的盐酸，直至样品中无气泡冒出，加热蒸发所得物并在干燥器中冷却至室温后称量。反复加热、冷却、称量，直至所称量的固体质量几乎不变为止，此时所得固体的质量为10.88 g。则纯碱样品中碳酸钠的质量分数为84.8%。

综上所述，用Cl或CO23沉淀法、CO2气体吸收法、质量差量法均存在较大的测定误－－差。

答案：见解析。

化学开放性试题的出现使化学试题改革目光初露。这类试题鼓励学生各抒己见，充分发挥自己的水平，对培养学生的积极性、创新精神和能力起到积极作用。如2008年宁夏卷第27题、2008年广东卷第20题等都属于开放性实验探究题。针对化学开放性试题答案多、变化灵、信息广、迁移快等特点，恰当地设计开放性试题必将成为化学教学和考试改革的一个探索和研究的方向。开放性的实验题主要考查分析问题的能力和语言表达的能力，考生要分析出实验过程中可能出现的情况，对每种可能的情况进行解释，注意分析要全面，要言之有理。

【随堂训练】

1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物质的分子式________。

(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NH3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

解析：本题主要考查侯德榜制碱法的生产原理及生产工艺、Cl的检验等，根据联合制

－

碱法的生产原理，可知向食盐水通入氨气是为了得到碱性溶液，以吸收更多的二氧化碳，当二氧化碳过量时发生反应生成碳酸氢铵，然后溶液中几种离子组成的物质中碳酸氢钠的溶解度最小，先析出来，然后收集到碳酸氢钠在煅烧炉中受热分解制得纯碱。要提高氯化钠的利用率必须将过滤出的碳酸氢钠的母液循环利用，要检验碳酸钠中是否含有氯化钠只需向溶液中加入硝酸酸化的硝酸银溶液看是否产生白色沉淀即可。向母液中通入氨气时NH4浓度增大，使NH4Cl更多地析出，并使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＋NaCl＋H2O＝＝＝NH4Cl＋NaHCO3或NH3＋CO2＋H2O＝＝＝NH4HCO3，NH4HCO3＋NaCl＝＝＝NH4Cl＋NaHCO3↓

(3)CO2

(4)循环Ⅰ

过滤

(5)稀硝酸和硝酸银溶液

(6)ac

2(2008江苏高淳模拟)我国化工专家侯德榜的侯氏制碱法为世界制碱工业作出了突出贡献。他以NaCl、NH3、CO2等为原料制得NaHCO3，进而生产出纯碱，有关反应的化学方程式为：

NH3＋CO2＋H2O＝＝＝NH4HCO3

NH4HCO3＋NaCl＝＝＝NaHCO3↓＋NH4Cl 2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑

(1)碳酸氢铵与饱和食盐水反应，能析出碳酸氢钠晶体的原因是________(填字母标号)。

a．碳酸氢钠难溶于水

b．碳酸氢钠受热易分解

c．碳酸氢钠的溶解度相对较小，所以在溶液中首先结晶析出

(2)某探究活动小组根据上述制碱原理，进行碳酸氢钠的制备实验，同学们按各自设计的方法实验。

①一位同学将二氧化碳气体通入含氨的饱和食盐水中制备碳酸氢钠，实验装置如下图所示(图中夹持、固定用的仪器未画出)：

△＋

试回答下列有关问题：

(Ⅰ)乙装置中的试剂是________________；

(Ⅱ)丁装置中稀硫酸的作用是____________。

(Ⅲ)实验结束后，分离出NaHCO3晶体的操作是________(填分离操作的名称)。

②另一位同学用下图中戊装置(其他装置未画出)进行实验：

(Ⅰ)实验时，须先从________管通入________气体，再从________管中通入________气体；

(Ⅱ)有同学建议在戊装置的b管下端连接己装置，原因是________________。

(3)请你再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法：________________。

解析：(1)在溶液中溶解度最小的物质最先析出。(2)①除去CO2中的HCl用饱和NaHCO3溶液；H2SO4吸收挥发出来的NH3；NaHCO3以固体形式析出，应采用过滤操作。②侯氏制碱法应向饱和NaCl溶液中先通NH3后通CO2，因为NH3溶解度大，可吸收更多CO2，生成较多NaHCO3固体；NH3极易溶于水，易发生倒吸，所以从a管进入；己为多孔球泡，可增大接触面积。(3)可利用以下反应原理制备NaHCO3：NaOH＋CO2＝＝＝NaHCO3，Na2CO3＋CO2＋H2O＝＝＝2NaHCO3。

答案：(1)c (2)①(Ⅰ)饱和碳酸氢钠溶液

(Ⅱ)吸收未反应的NH3(答“防止倒吸”或“吸收CO2”不可以)

(Ⅲ)过滤

②(Ⅰ)a

NH3

b

CO2

(Ⅱ)增大气体与溶液接触面积，提高CO2吸收率

(3)往烧碱溶液中通入过量CO2(或往饱和Na2CO3溶液中通入过量CO2等，其他合理方法均可)