侯式制碱法原理和简单流程

哈佛北大精英创立第1页精锐教育学科教师辅导讲义学员编号：年级：高三课时数：3学员姓名：辅导科目：化学学科教师：授课主题侯式制碱法原理和简单流程教学目的侯氏制碱法在上海高考中占有比较特殊的地位，出现的几率较大；常考的知识点是侯氏制碱法的原理、温度的选择、母液的成分、处理及与氨碱法的优劣比较，学生在温度的控制和母液的处理上出现的错误几率较大。教学内容1．【2013年上海高考6】与索尔维制碱法相比，侯德榜制碱法最突出的优点是（）A．原料利用率高B．设备少C．循环利用的物质多D．原料易得2．【2012年上海高考八】碳酸氢铵是一种重要的铵盐。实验室中，将二氧化碳通入氨水可制得碳酸氢铵，用碳酸氢铵和氯化钠可制得纯碱。完成下列填空：41．二氧化碳通入氨水的过程中，先有________晶体(填写化学式)析出，然后晶体溶解，最后析出NH4HCO3晶体。3．【2010年上海高考27】工业生产纯碱的工艺流程示意图如下：完成下列填空：1）粗盐水加入沉淀剂A、B除杂质（沉淀剂A来源于石灰窑厂），写出A、B的化学式。AB2）实验室提纯粗盐的实验操作依次为：取样、、沉淀、、、冷却结晶、、烘干。3）工业生产纯碱工艺流程中，碳酸化时产生的现象是。碳酸化时没有析出内容回顾哈佛北大精英创立第2页碳酸钠晶体，其原因是。4）碳酸化后过滤，滤液D最主要的成分是（填写化学式），检验这一成分的阴离子的具体方法是：。5）氨碱法流程中氨是循环使用的，为此，滤液D加入石灰水产生氨。加石灰水后所发生的反应的离子方程式为：滤液D加石灰水前先要加热，原因是。6）产品纯碱中含有碳酸氢钠。如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数，纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为：（注明你的表达式中所用的有关符号的含义）4．【2005年上海高考五26（A）】我国化学侯德榜（右图）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纯度答案：1．Ａ２．423()NHCO３．1）Ca(OH)2或CaONa2CO32)溶解过滤蒸发过滤3）有晶体析出（或出现浑浊）碳酸钠溶解度比碳酸氢钠大4）NH4Cl取样，加硝酸酸化，再加硝酸银，有白色沉淀产生，该阴离子是氯离子5）NH4++OH-→NH3↑＋H2O防止加入石灰水时产生碳酸钙沉淀(解析：加热时，使碳酸氢根水解程度增大，释放出二氧化碳，减少碳酸氢根的量，从而减少氢氧根的消耗，使铵根完全转化为氨气放出，同时产生碳酸钙的含量也相应的减少)6）312()184()31NaHCOmmm4．（1）联合制碱法或侯德榜制碱法化肥或电解液或焊药等（其他合理答案均给分）（2）NH3＋CO2＋H2O＋NaCl→NH4Cl＋NaHCO3↓CO2Na2CO3X食盐水循环II循环I母液(提取副产品)煅烧炉合成氨厂沉淀池NH3NH3哈佛北大精英创立第3页或NH3＋CO2＋H2O→NH4HCO3NH4HCO3＋NaCl→NaHCO3↓＋NH4Cl（3）CO2（4）I过滤（5）稀硝酸和硝酸银溶液（6）ac【知识梳理】实验背景：无水碳酸钠，俗名纯碱、苏打。它是玻璃、造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革等工业的重要原料，还常用作硬水的软化剂，也用于制造钠的化合物。它的工业制法主要有氨碱法和联合制碱法两种。一、实验原理化学反应原理是：总反应为：将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体再加热，制得纯碱产品：答案：化学反应原理：32243NHCOHONHHCO4334()NaClNHHCONaHCONHCl饱和总反应：32234()NaClNHCOHONaHCONHCl饱和323222NaHCONaCOCOHO二、氨碱法（又称索尔维法）1．原料：食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气2．步骤：先把氨气通入饱和食盐水中而成氨盐水，32243NHCOHONHHCO再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液，4334()NaClNHHCONaHCONHCl饱和将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体，再加热煅烧制得纯碱产品。323222NaHCONaCOCOHO（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，知识精讲哈佛北大精英创立第4页2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O其工业流程图为：其工业生产的简单流程如图所示：3．氨碱法的优点是：（１）原料（食盐和石灰石）便宜；（２）产品纯碱的纯度高；（３）副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；（４）制造步骤简单，适合于大规模生产。4．氨碱法的缺点是：（１）产生大量无用的副产品CaCl2（２）NaCl利用率只有70%，约有30%的NaCl留在母液中。（3）设备多，耗能大。哈佛北大精英创立第5页三、联合制碱法（又称侯氏制碱法）1．原料：食盐、氨气和二氧化碳——合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。22+CHOCOH高温（g）222+COHOCOH高温（g）2．步骤：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而成氨盐水，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。其工业生产的简单流程如图所示：此法优点：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可做氮肥；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。【讨论】1、索尔维采取了哪些措施来提高氨的利用率？（1）（2）（3）答案：（1）先制得氨化的饱和食盐水，再与CO2反应（2）使CO2与氨化的饱和食盐水在合成塔中逆流接触（3）母液与熟石灰作用重新生成氨气2、“侯氏制碱法”与“索尔维制碱法”的主要不同在母液的处理上。“侯氏制碱法”采取了怎样的方式对母液进行处理？从化学原理上分析采取这些处理措施的原因。（1）向母液中加食盐细粒【思考】向向母液中加食盐细粒的目的是什么？哈佛北大精英创立第6页CO2Na2CO3X食盐水循环II循环I母液NH4Cl煅烧炉合成氨厂沉淀池NH3NH3食盐细粉Z冷却至10℃以下，过滤联碱法（候氏制碱法）生产流程示意图CO2Na2CO3X食盐水，NH3母液煅烧炉煅烧沉淀池CaOY排出液W循环II循环I氨碱法生产流程示意图石灰石答案：降低氯化铵在氯化钠中的溶解度，便于氯化铵的析出（2）向母液中通氨气【思考】向母液中通氨气的作用有哪些？答案：增加4NH的浓度，有利于NH4Cl析出使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出NH4Cl的纯度。（3）降温至5℃左右3、侯氏制碱法的现实意义（1）符合现在提倡的“绿色化学的要求：提高了原料（NaCl）的利用率，不产生无用的CaCl2。（2）体现了大规模联合生产的优越性：利用一个厂的废料，作为另一个厂的主要原料。如合成氨厂的废料CO2，可以作为碱厂的主要原料；碱厂无用的Cl-，可以代替价格比较昂贵的硫酸用来固定氨，制成氮肥。降低了成本，提高了综合经济效益。二、化工生产的基本原理（1）充分利用原料——体现物料平衡思想。例如：合成氨生产、纯碱生产中都有原料利用的工艺；接触法制硫酸、氨氧化制硝酸中都利用廉价的来提高原料气的转化率。（2）充分利用能量——体现能量守恒思想。例如：若存在放热步骤，可通过列管式器利用放出的热量对需要加热的物料进行预热；若不存在放热步骤，要设计出充分利用燃料和充分利用能量的工艺。（3）保护环境——体现绿色化学思想：是指工业生产的过程中没有（或者极少有）有毒、有害物质排出，合成产品的原子利用率尽量达到。答案：循环空气热交换百分之百【例题精讲】例1.联碱法（候氏制碱法）和氨碱法的生产流程简要表示如下图：（1）沉淀池中发生反应的化学方程式为_______________________。（2）填写化学式：X是________，Y是_______；Z中除了溶解的氨气、食盐外，其它溶质还有__________；排出液哈佛北大精英创立第7页中的溶质除了氢氧化钙外，还有___________。（3）在氨碱法生产过程中氨要循环使用，但不需要补充，在母液中加生石灰前先要加热的原因是。氨碱法总反应过程可用化学方程式表示为___________________。（4）根据联碱法中从母液中提取氯化铵晶体的过程推测，所得结论正确是_____。a．常温时氯化铵的溶解度比氯化钠小b．通入氨气能增大NH4+的浓度，使氯化铵更多析出c．加入食盐细粉能提高Na+的浓度，使NaHCO3结晶析出d.通入氨气能使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度（5）联碱法中，每当通入NH344.8L（已折合成标准状况下）时可以得到纯碱100.0g，则NH3的利用率为______；相比于氨碱法，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）。指出联碱法的另一项优点_________________。（6）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（%）=。例2．根据侯德榜制碱法原理并参考下表的数据，实验室制备纯碱Na2CO3的主要步骤是：将配制好的饱和NaCl溶液倒入烧杯中加热，控制温度在30—35℃，搅拌下分批加入研细的NH4HCO3固体，加料完毕后，继续保温30分钟，静置、过滤得NaHCO3晶体。用少量蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后，转入蒸发皿中，灼烧2小时，得Na2CO3固体。四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g水）表温度盐溶解度0℃10℃20℃30℃40℃50℃60℃100℃NaCl35.735.836.036.336.637.037.339.8NH4HCO311.915.821.027.0—①———NaHCO36.98.19.611.112.714.516.4—NH4Cl29.433.337.241.445.850.455.377.3①＞35℃NH4HCO3会有分解请回答：⑴反应温度控制在30—35℃，是因为若高于35℃，则_____________________________，若低于30℃，则_____________________________，为控制此温度范围，采取的加热方法为_________________。⑵加料完毕后，继续保温30分钟，目的是________________________________________。静置后只析出NaHCO3晶体的原因是___________________________________________。用蒸馏水洗涤NaHCO3晶体的目的是除去_______________杂质（以化学式表示）⑶过滤所得的母液中含有___________________________（以化学式表示），需加入_______，并