高中化学--侯式制碱法

.1侯式制碱法原理和简单流程【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)2，2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O其工业流程图为：知识精讲.2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。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：.3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？答：（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？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：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。.4CO2Na2CO3X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.5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_______，并作进一步处理，使NaCl溶液循环使用，同时可回收NH4Cl⑷测试纯碱产品中NaHCO3含量的方法是：准确称取纯碱样品Wg，放入锥形瓶中加蒸馏水溶解，加1—2滴酚酞指示剂，用物质的量浓度为c（mol/L）的HCl溶液滴定至溶液由红色到无色（指示CO32—+H+→HCO3—反应的终点），所用HCl溶液的体积为V1mL，再加1—2滴甲基橙指示剂，继续用HCl溶液滴定至溶液由黄变橙，所用HCl溶液总体积为V2mL。写出纯碱样品中NaHCO3质量分数的计算式：NaHCO3%=______________________________。例3．（1）Solvay制碱（氨碱）法和侯德榜（联合）制碱法的基本原理均可用反应方程式表示为：NaCl+_____+________→NaHCO3↓+________将NaHCO3沉淀滤出后，母液中残留的离子主要有Cl-、NH4+和______、______。该母液的酸碱性为____（选择填充）。a.强酸性b.强碱性c.接近中性Solvay对母液的基本处理是：加入____。Solvay法中_____________是循环使用的。侯德榜对母液的基本处理是：加入______和______，得到重要的副产品_________。侯德榜法中____________________是部分循环使用的。如果从海水中提取的食盐未经精制（提纯），所得纯碱中含有的难溶性杂质将主要是__________和__________（用化学式表示）。（2）工业上需要对溶液进行碱化时，常用氨水替代NaOH。好处何在，请说出你对此的看法。a.________________________________b._________________________________答案．1.（1）NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl（2）CO2NH3Na2CO3、NH4ClCaCl2、NaCl（3）防止生石灰先跟溶液中的NaHCO3反应产生碳酸钙沉淀CaCO3+2NaCl→Na2CO3+CaCl2（4）bd（5）94.3%循环Ⅰ避免产生大量含有CaCl2的废液（或节省石灰窑、蒸氨塔等设备）（6）由于总反应可看作是：2NH3+2NaCl+CO2+H2O→Na2CO3+2NH4Cl，所以：原子利用率（%）%100)()()()()()(%100223432OHmCOmNHmNaClmClNHmCONam反应物总质量目标产物总产量.62.⑴NH4HCO3分解反应速率降低水浴加热⑵使反应充分进行NaHCO3的溶解度最小NaClNH4ClNH4HCO3⑶NaHCO3NaClNH4ClNH4HCO3HCl⑷3.（1）H2O+NH3+CO2→NH4ClNa+、HCO3-c石灰氨气（或氨气和部分二氧化碳）氨气食盐NH4Cl食盐（或食盐和二氧化碳）Mg（OH）2和CaCO3（写MgCO3也可）（2）成本较低；可同时制得氮肥；容易控制碱度（或其它合理答案）1．1892年，比利时人索尔维以NaCl、CO2、H2O、NH3为原料生产Na2CO3,叫索尔维法．其主要步骤是：(1)在NH3饱和的NaCl溶液中通入CO2制得NaHCO3；(2)再将NaHCO3焙烧制得纯碱，CO2循环使用；(3)在析出小苏打的母液中加入生石灰，NH3循环使用．1940年，我国著名化工专家侯德榜先生，冲破了“索尔维”法的技术封锁，并加以改进，用NaCl固体代替生石灰，加入母液使NH4Cl晶体析出，生产出纯碱和氯化铵．这便是举世闻名的“侯氏制碱法”．试回答：(1)在氨饱和NaCl溶液中通入CO2的两步反应方程式为。(2)不能在NaCl溶液中通入CO2制NaH