2020-2021学年高中化学-第一单元-走进化学工业-课题3-纯碱的生产学案-新人教版选修2.doc

2020-2021学年高中化学 第一单元 走进化学工业 课题3 纯碱的生产学案 新人教版选修2

2020-2021学年高中化学 第一单元 走进化学工业 课题3 纯碱的生产学案 新人教版选修2

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- 11 -

课题3　纯碱的生产
1.了解纯碱的主要性质和用途。
2.了解纯碱的生产及发展过程；掌握路布兰法——索尔维法——联合制碱法(侯氏制碱)的基本原理。
3.掌握索尔维制碱法和侯氏制碱法的化学反应原理、主要原料和生产过程。

授课提示：对应学生用书第9页
一、纯碱及其用途
碳酸钠的俗名叫纯碱，可用来制玻璃、制皂、造纸、纺织和漂染，碳酸钠作为原料可用来生产钠的化合物，还大量应用于生活中。在我国素有“口碱”之说。
二、路布兰制碱法
1．原料：硫酸、食盐、木炭、石灰石。
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：
(1)生成Na2SO4：NaCl＋H2SO4(浓)NaHSO4＋HCl↑，NaCl＋NaHSO4Na2SO4＋HCl↑。
(2)生成Na2CO3和CaS：Na2SO4＋2CNa2S＋2CO2↑，Na2S＋CaCO3Na2CO3＋CaS。
(3)缺点：路布兰制碱法生产纯碱具有原料利用不充分、成本较高、设备腐蚀严重等缺点。
三、氨碱法生产纯碱
氨碱法是由比利时人索尔维发明的，所以也称为索尔维制碱法。
1．原料
氨碱法是以碳酸钙和氯化钠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食盐、氨和二氧化碳为原料，通过一系列反应来生产碳酸钠。
2．生产原理
(1)将二氧化碳通入含氨的饱和食盐溶液中，可得到碳酸氢钠和氯化铵；
方程式为NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3；
NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl。
(2)将析出的NaHCO3晶体煅烧，即得Na2CO3；
方程式为：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。
(3)母液中的NH4Cl加消石灰可回收氨，以便循环使用；
方程式为：2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。
四、联合制碱法(又称侯氏制碱法)
1．生产原理
将制碱中含氯的废液与合成氨过程中的二氧化碳废气加以回收、利用，制成纯碱和氯化铵化肥，使制碱和制铵两大工业联合起来。联合制碱法的主要化学反应方程式是NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，
2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。
2．原料
联合制碱法的原料为食盐、氨和二氧化碳，其中氨和二氧化碳来自于合成氨。

授课提示：对应学生用书第9页
要点一　索尔维制碱法(氨碱法)

1．索尔维法制碱生产的主要过程
(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，同时回收近一半的二氧化碳再利用。
2NaHCO3Na2CO3↑＋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)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O
2．索尔维制碱法的工艺流程

3．氨碱法的评价
优点：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。

[例1]　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；加入石灰石后回收NH3，但生成的CaCl2吸水性强，呈黏稠状无法处理。
[答案]　AD
[方法规律]
索尔维制碱法生产纯碱的过程中，将饱和食盐水氨化、碳酸化后，析出碳酸氢钠沉淀并形成NH4Cl溶液。

1．根据氨碱法制碱原理，首先配置氨化饱和食盐水，即向饱和食盐水中通入氨气并充分搅拌；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。
请回答下列问题：
(1)用化学用语分别表示出氨和二氧化碳在水中产生NH、HCO的原理：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________，
________________________________________________________________________。
(2)向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳的先后顺序是先通氨气后通二氧化碳。是否可以先通入二氧化碳后通入氨气？为什么？________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(3)写出氨碱法生产碳酸氢钠的化学方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：在通常状况下，氨在水中的溶解度约1∶700，二氧化碳在水中的溶解度约1 ∶ 1。
答案：(1)NH3＋H2ONH3·H2ONH＋OH－或NH3＋H2ONH＋OH－
CO2＋H2OH2CO3HCO＋H＋或CO2＋H2OHCO＋H＋
(2)否。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，不利于生成NaHCO3沉淀
(3)NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl
要点二　联合制碱法(侯氏制碱法)

1．侯氏制碱法的生产过程
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。
(3)氨盐水碳酸化：NaCl＋H2O＋NH3＋CO2===
NaHCO3↓＋NH4Cl。
(4)制Na2CO3回收CO2：2NaHCO3Na2CO3＋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。
2．侯氏制碱法的工艺流程

3．侯氏制碱法的评价
(1)优点：①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%。
②可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，即综合利用了合成氨厂的CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。
③革除了难以处理的CaCl2废料，同时可生产出NH4Cl作氮肥。
④节省了蒸氨塔、石灰窑等设备。
(2)缺点：有时会发生氯化铵产品供过于求的情况。

[例2]　我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，探索出了一种生产纯碱的方法，其生产流程可简要表示如下：

(1)上述生产纯碱的方法称为________，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X物质的分子式为________。
(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NH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NH4Cl的纯度
[解析]　将NH3和CO2两种气体通入NaCl溶液后，发生化学反应：
NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl
NaHCO3溶解度较小，结晶析出；NH4Cl溶解度较大，留在母液中；溶液里还有未反应的NaCl和未结晶的NaHCO3。从母液中提取NH4Cl后，含有NaCl和NaHCO3的溶液循环到沉淀池中再次利用，这样就大大提高了氯化钠的利用率。
NaHCO3在煅烧炉中发生化学反应2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O，生成的CO2循环到沉淀池中再次利用。
含NH4Cl、NaHCO3、NaCl的母液中通入NH3后，发生反应NH3＋H2ONH3·H2ONH＋OH－，这样有利于NH4Cl的析出和NaHCO3转化为Na2CO3。
[答案]　(1)侯氏制碱法(或联合制碱法)　用作农作物的化肥(其他合理的答案亦可)
(2)NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl
(3)CO2　(4)I　过滤
(5)硝酸酸化的硝酸银溶液
(6)ac

2．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。下列说法不正确的是(　　)
A．“联合制碱法”是在“氨碱法”的基础上进行技术革新的成果
B．“联合制碱法”和“氨碱法”所用的氨都取自合成氨厂
C．“联合制碱法”和“氨碱法”所用的CO2都来自石灰石的分解
D．“联合制碱法”的副产品是氯化铵，“氨碱法”的副产品是氯化钙
解析：“氨碱法”所用的CO2来自石灰石的分解；“联合制碱法”将合成氨厂和制碱厂联合进行生产，利用合成氨厂制造氢气时的副产品CO2作为制碱的原料。合成氨厂制造氢气的主要化学反应如下：
C＋H2O(g)CO＋H2，
CO＋H2O(g)CO2＋H2。
答案：C

授课提示：对应学生用书第12页
1．我国著名的化工专家侯德榜在20世纪20年代所创立的“侯氏制碱法”誉满全球。“侯氏制碱法”中的碱是指下列物质中的(　　)
A．NaOH　　　　　　　　　 B．K2CO3
C．Na2CO3 D．NaHCO3
解析：“侯氏制碱法”制得的是纯碱，也叫苏打，化学式为Na2CO3。
答案：C
2．1791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(浓)Na2SO4＋2HCl↑
②用焦炭还原Na2SO4制Na2S：
Na2SO4＋4CNa2S＋4CO↑
③用硫化钠与石灰石反应制Na2CO3：
Na2S＋CaCO3Na2CO3＋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
3．1892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,2NaHCO3Na2CO3＋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
4．与氨碱法比较，下列关于联合制碱法优点的判断中不正确的是(　　)
A．提高了原料的原子利用率 B．降低了生产成本
C．减少了环境污染 D．减轻了对设备的腐蚀
解析：由于联合制碱法在生产过程中所需的氨和二氧化碳都是由合成氨厂提供，从滤出碳酸氢钠后所得的母液中可回收氯化铵，因此它提高了原料的原子利用率，降低了生产成本，因此A、B正确；由于不产生不能利用的氯化钙，所以“减少了环境污染”，C正确；由于增加了物质的循环利用，所以会加重“对设备的腐蚀”，D错误。
答案：D
5．下图表示的是侯氏制碱法工艺流程示意图。

请回答：
(1)母液Ⅱ中所溶解的主要物质是_____________________________________
(写物质的化学式)。母液Ⅱ中含有低浓度的Na2CO3，主要原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)向母液Ⅱ中通入气体时要先通氨气后通二氧化碳气体，主要原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)母液Ⅰ和母液Ⅱ中都通入NH3。①NH3的主要来源是________；②母液Ⅰ中通入NH3的主要目的是______
________________________________________________________________________；
③母液Ⅱ中通入NH3的主要目的是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)工艺流程的“煅烧→纯碱”处，可设计________的循环利用。
答案：(1)NaCl、NaHCO3和NH4Cl　HCO电离出CO
(2)NH3在NaCl溶液中溶解度很大，CO2在氨化的溶液中溶解度大，可形成高浓度的HCO。CO2在NaCl溶液中溶解度很小，尽管NH3在碳酸化的溶液中溶解度大，也不能形成高浓度的HCO
(3)①合成氨厂　②增大NH的浓度，促进NH4Cl结晶析出　③增大OH－的浓度，促进CO2的溶解，增大HCO的浓度
(4)二氧化碳(或CO2)