化学纯碱的生产

•课题3纯碱的生产•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了解技术的发展过程。•3．掌握路布兰法——索尔维法——联合制碱法(侯氏制碱)的基本原理。•一、纯碱及其用途•碳酸钠的俗名叫，可用来制、、、和，碳酸钠作为原料可用来生产钠的化合物，还大量应用于中，我国素有“”之称。•二、路布兰制碱法•1．原料：、、、。•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：纯碱玻璃制皂造纸纺织漂染生活口碱硫酸食盐木炭石灰石•(1)生成Na2SO4：»•(2)生成Na2CO3：••(3)缺点：路布兰制碱法生产纯碱具有，、等缺点。NaCl＋H2SO4=====120℃NaHSO4＋HCl↑NaCl＋NaHSO4========600～700℃Na2SO4＋HCl↑Na2SO4＋2C=====100℃Na2S＋2CO2↑Na2S＋CaCO3=====100℃Na2CO3＋CaS原料利用不充分成分较高设备腐蚀严重•三、氨碱法生产纯碱•1．原料•氨碱法是以和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、和为原料，通过一系列反应来生产碳酸钠。碳酸钠氯化钠食盐氨二氧化碳•2．生产原理•氨碱法是由比利时人发明的，所以也称为法，其生产原理用化学方程式表示为：•，•，•。NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑索尔维索尔维制碱•四、联合制碱法•1．原料•联合制碱法，即将与联合生产的改进工艺，原料为、和，其中和来自于合成氨。•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↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑氨碱法合成氨氯化钠氨气二氧化碳氨气二氧化碳•一、索尔维制碱法(氨碱法)•索尔维法制碱生产的主要过程可划分为哪几个阶段？•[师生互动]•【提示】(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。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•索尔维法制碱的工艺流程是怎样的？•[学生交流]•【提示】索尔维制碱法的工艺流程•氨碱法有何优、缺点？•[师生互动]•【提示】优点：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。•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。•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；加入石灰后回收NH3，但生成的CaCl2吸水性强，呈黏稠状无法处理。•【答案】AD【点评】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。HCO3－和NH4＋的形成、碳酸氢钠沉淀的形成，实质上就是下列平衡向右移动的结果：CO2＋H2OH2CO3HCO3－＋H＋NH3＋H2ONH3·H2ONH4＋＋OH－Na＋(aq)＋HCO3－(aq)NaHCO3(s)•1.1892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1molNa2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是补充2molNaCl和1molCO2•【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,2NaHCO3===Na2CO3＋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1molNa2CO3,2NaCl＋2NH3＋2CO2～2NaHCO3～Na2CO3＋CO2，再补充的物质及其物质的量分别是2molNaCl和1molCO2。•【答案】C•二、侯德榜制碱法(联合制碱法)•联合制碱法的主要生产过程有哪些？•[师生互动]•【提示】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CO2：2NaHCO3=====△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。•侯氏制碱法的工艺流程是怎样的？•[师生互动]•【提示】侯氏制碱法的工艺流程•侯氏制碱法比索尔维制碱法有何优越性？•[学生交流]•【提示】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可作氮肥；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。•我国著名化学家侯德榜先生发明的“侯氏制碱法”，因原料利用率高，并能进行连续生产，从而享誉中外。“侯氏制碱法”的基本做法是向饱和食盐水中通入氨气和二氧化碳，获得碳酸氢钠晶体，再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：NaCl(饱和)＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl,2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。•某课外兴趣小组同学按照“侯氏制碱法”原理，设计了如下一套实验装置：•实验室可供选用的药品有：浓氨水、纯碱、大理石、稀盐酸、稀硫酸、熟石灰、氯化铵、氯化钠。•(1)A、D中最合适的试剂(填名称)为：•A________；D________。•(2)本实验具体操作过程中，应先通________气体，再通________气体；原因是_________________________________。•(3)指出该装置中的错误(至少两处)：________________。•(4)在改进装置后，该同学进行了实验，实验所用的饱和NaCl溶液中含溶质58.5g，实验最后得到无水碳酸钠26.0g，则其产率为多少？________。该同学针对其实验结果，认真分析了造成损失的原因，发现其操作步骤并没有错误，则主要原因是__________________________________________________。•(5)在“侯氏制碱法”工业生产中，原料的利用率高，大大降低了成本。请问本实验中哪些物质可重复利用？•______________________________________。•【解析】根据反应原理，实验操作过程为：先制得NH3(左边装置)和CO2(右边装置)，再将制得的气体依次通入饱和食盐水中即得碳酸氢钠晶体，再加热碳酸氢钠晶体就可以得到纯碱。•【答案】(1)氯化铵和熟石灰稀盐酸(2)NH3CO2CO2在水中溶解度小，先通NH3至饱和，有利于NaHCO3析出•(3)B、C之间缺少止水夹；B装置应与大气相通，不能为密闭装置；通NH3的导管不应伸入液面以下(任填两种即可)(4)根据钠元素守恒，得关系式：2NaCl～Na2CO3，m(Na2CO3)＝106×58.5/117＝53.0g，则Na2CO3的产率为26.0g/53.0g×100%＝49.0%NaHCO3在水中有较大的溶解度，未能全部沉淀出来(5)NH4Cl，CO2•【点评】本题以侯氏制碱法的原理为切入点，分别考查药品的选用、操作过程分析、实验装置评价、化学计算、化工生产原理等。2.我国化学家侯德榜根据NaHCO3溶解度比NaCl、Na2CO3、NH4HCO3、NH4Cl都小的性质，运用CO2＋NH3＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl的反应原理制备纯碱。下面是在实验室进行模拟实验的生产流程示意图：气体A的饱和溶液――→加入食盐ⅠA和食盐的饱和溶液――→通入足量气体BⅡ悬浊液――→过滤Ⅲ晶体,Ⅳ纯碱则下列叙述错误的是()•A．A气体是NH3，B气体是CO2•B．第Ⅲ步得到的晶体是发酵粉的主要成分•C．第Ⅲ步操作用到的主要玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒•D．第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶•【解析】“侯氏制碱法”是中学阶段常研究的四大工业生产知识之一，主要应注重对其反应原理的理解。它是先制得氨化的饱和食盐水，再往其中通入CO2(即是往饱和食盐水中依次通入足量的NH3、CO2，不能依次通入CO2、NH3，因为NH3在水中的溶解度远远大于CO2，先将溶液氨化后，吸收CO2的效果更好)，第Ⅱ步即得到NaHCO3悬浊液，第Ⅳ步应将NaHCO3加热分解，以得到Na2CO3。•【答案】D•在中国化学工业史上，有一位杰出的科学家，他为祖国的化学工业事业奋斗终生，并以独创的制碱工艺闻名于世界，他就像一块坚硬的基石，托起了中国现代化学工业的大厦，这位先驱者就是被称为“国宝”的侯德榜，曾以10科1000分的好成绩被北平清华留美预备学堂录取！侯德榜一生勤奋好学，虽工作繁忙却还著书立说。•《纯碱制造》一书于1933年在纽约列入美国化学会丛书出版。这部化工巨著第一次彻底公开了索尔维法制碱的秘密，被世界各国化工界公认为制碱工业的权威专著，同时被相继译成多种文字出版，对世界制碱工业的发展起了重要作用。美国的威尔逊教授称这本书是“中国化学家对世界文明所作的重大贡献”。•思考：侯先生奉献了毕生的精力制备纯碱——碳酸钠，为什么要制备碳酸钠？它到底有什么重要用途呢？•【提示】碳酸钠是一种非常重要的化工原料，在玻璃、肥皂、合成洗涤剂、造纸、纺织、石油、冶金、食品等工业中有着广泛的用途，在日常生活和生产中常用热的纯碱溶液来除去物品表面的油污。•1．在下列科学家中，为我国的化学工业做出重大贡献的是()•A．邓稼先B．李四光•C．华罗庚D．侯德榜•【解析】这四位都是我国在世界上享有盛誉的著名科学家，邓稼先是核物理学家；李四光是地质学家；华罗庚是数学家；侯德榜是化工学家。•【答案】D2．1791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：Na2SO4＋