纯碱的生产

核心要点突破课堂互动讲练学习目标课前自主学案知能优化训练课题3课题3纯碱的生产学习目标1.了解纯碱的生产及发过程。2.了解体现天然碱的生产与化工生产之间的联系及体现技术的发展过程。3.掌握路布兰法—索尔维法—联合制碱法(侯氏制碱法)。课前自主学案一、氨碱法生产纯碱氨碱法是由比利时人_______发明的，氨碱法是以________和______为原料生产碳酸钠的过程。1．制取碳酸氢钠和氯化铵(1)生成碳酸氢钠和氯化铵的过程：索尔维碳酸钙食盐将2mLNH4HCO3和2mL饱和食盐水混合、振荡现象有白色晶体析出反应方程式NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl(2)生产碳酸氢钠和氯化铵的主要反应方程式是_________________________、___________________________________。2．制取碳酸钠的反应方程式是____________________________________________。NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑3．氨碱法制纯碱的优点是原料食盐和石灰石易得，产品纯度高，氨和部分CO2可循环使用，制造步骤简单。缺点是生成的氯化钙不易处理，食盐利用率才70%。思考提示氨碱法中加入氨的主要作用是什么？【提示】主要作用是让氨与二氧化碳作用NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3，然后再与饱和食盐水反应NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl，进而制纯碱2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。二、联合制碱法1．根据上图，写出生产纯碱的化学方程式：__________________________________________、_________________________________________。NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑2．根据联合制碱法生产原理示意图，分析比较它与氨碱法的主要区别及优势？联合制碱法主要用氨碱法与合成氨联合生产，氨碱法生产纯碱虽然具有原料普遍易得，产品纯度高，适合大规模工业生产等优点，而联碱法生产纯碱则有更大的优势：一是原料的利用率高。联碱生产中母液循环使用，氯化钠中的钠离子用来制造碱，氯离子用来制造氯化铵。这样盐的利用率可达96%以上。而氨碱法钠的利用率仅70%，氯利用率为零，整体利用率只有28%左右；另外联碱法利用合成氨生产排出的二氧化碳制碱，节省了石灰石、焦炭等原料。二是废物排放少。联碱法在生产过程中无大量废液、废渣排出，每吨只有几千克到几十千克，选择厂址自由度较大；而氨碱法每吨纯碱约10立方米的废液排出，难以处理，不宜在内陆建厂。三是能源消耗低。可比单位综合能耗，联碱法为7100～8200MJ，而氨碱法为12000～14000MJ。四是成本低。联碱法同时生产纯碱和氯化铵，因此成本较低。核心要点突破氨碱法与联合制碱法的比较1．原料氨碱法：食盐、氨气、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)。联合制碱法：食盐、氨气、二氧化碳(合成氨厂的废气)。2．主要反应原理二者基本相同：NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑3．生产过程第一步：二者基本相同：将NH3通入饱和食盐水形成氨盐水，再通入CO2生成NaHCO3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NH4Cl和NaCl的溶液。第二步：氨碱法：NaHCO3分解放出的CO2(2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑)、滤液(含NH4Cl)与石灰乳混合加热产生的氨气回收循环使用[CaO＋H2O===Ca(OH)2，2NH4Cl＋Ca(OH)2=====△CaCl2＋2NH3↑＋2H2O]。联合制碱法：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，已基本上是氯化钠的饱和溶液，可循环使用。4．综合评价(1)氨碱法：①优点：原料(食盐和石灰石)便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。②缺点：原料食盐的利用率低，大约70%～74%，其余的食盐随CaCl2溶液作为废液被抛弃；过程中产生了没多大用途且难以处理的CaCl2。(2)联合制碱法：使食盐的利用率提高到96%以上，用同量的食盐比氨碱法生产更多的纯碱。另外它综合利用了合成氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵；过程中不生成没多大用途、又难以处理的CaCl2，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。课堂互动讲练纯碱工业1．索尔维制碱法：此法所用的原料为食盐、氨和二氧化碳，生产过程如下：(1)盐水的精制：在饱和食盐水中加入熟石灰和纯碱，除去水中的Ca2＋和Mg2＋。(2)盐水氨化：将氨气通入精制盐水中，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)过滤出碳酸氢钠后煅烧得纯碱，同时回收二氧化碳再利用。2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑(5)将氯化铵加石灰乳反应，生成氨回收利用。2NH4Cl＋Ca(OH)2=====△CaCl2＋2NH3↑＋2H2O2．侯德榜制碱法(联合制碱法)(1)反应原理侯氏联合制碱法，是将合成氨工业和制碱工业联合起来，以煤为原料制得碳铵，碳铵再与氯化钠进行复分解反应，生成碳酸氢钠和氯化铵。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，在278K～283K(5℃～10℃)时，向母液中加入磨细的食盐粉末，使氯化铵单独析出。(2)有关反应方程式NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3NaCl＋NH4HCO3===NH4Cl＋NaHCO3↓2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑(3)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。例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】氨碱法的原料：氯化钠、碳酸钙及NH3。工艺流程：CaCO3=====高温CaO＋CO2↑CO2＋NH3＋H2O===NH4HCO3NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑CaO＋H2O===Ca(OH)2产生CaCl2的反应：Ca(OH)2＋2NH4Cl=====△CaCl2＋2NH3↑＋2H2O，该反应的CaCl2中的Cl－来源于NaCl，Ca2＋来源于CaCO3，产生无用的CaCl2，降低了NaCl的利用率。联合制碱法：NH3和CO2来源于合成氨厂。工艺流程：NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑滤液含NH4Cl、NaHCO3、NaCl、NH4HCO3――————————→降温、通入NH3加NaCl固体析出NH4Cl固体滤液―→再一次循环利用依据总反应得：2NaCl＋CO2＋H2O＋2NH3===Na2CO3＋2NH4Cl可得：原子利用率＝106106＋107×100%＝49.77%。【答案】(1)2NH4Cl＋Ca(OH)2=====△2NH3↑＋CaCl2＋2H2O(2)NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3、NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl、2NaHCO3=====△Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑(3)“联合制碱法”中的CO2来源于合成氨厂，“氨碱法”中的CO2来源于石灰石(4)106106＋107×100%＝49.77%互动探究(1)如何检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠？(2)联合制碱法中析出NaHCO3后，为了提取副产品NH4Cl，往往向母液中通入NH3，加入细小食盐颗粒，再冷却，通入NH3的作用是什么？【提示】(1)取少量试样溶于水，再滴加硝酸酸化的AgNO3溶液，若有白色沉淀产生，则含有杂质NaCl，否则，不含有。(2)增大NH的浓度，使NH4Cl更多析出；使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度。变式训练(2011年临沂高二测试)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，制得Na2CO3固体。四种盐在不同温度下的溶解度(g/100g水)表①＞35℃NH4HCO3会有分解请回答：(1)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________________。(2)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)。(3)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NH4Cl。(4)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滴～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CO2－3＋H＋===HCO－3反应的终点)，所用HCl溶液体积为V1mL；再加1滴～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(%)＝__________________。解析：(1)温度控制在30℃～35℃，若高于35℃，NH4HCO3会分解；若温度低于30℃，则反应速率变慢；该温度下可采用水浴加热，温度易于控制、受热均匀。(4)根据题意可知：反应分为两步，第一步Na2CO3＋HCl===NaCl＋NaHCO3，第二步为NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑＋H2O第一步消耗的HCl为：cV1×10－3，第二步消耗的HCl为：cV2×10－3，所以NaHCO3的质量分数为：答案：(1)NH4HCO3分解反