2019-2020学年高中化学 第1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

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技术发展的过程。3．掌握路布兰法—索尔维法—联合制碱法(侯氏制碱法)。一、氨碱法生产纯碱氨碱法是由比利时人索尔维发明的，氨碱法是以碳酸钙和食盐为原料生产碳酸钠的过程。1.制取碳酸氢钠和氯化铵将CO2通入含氨的饱和食盐水中现象有白色晶体析出反应方程式NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3、NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl2.制取碳酸钠的反应方程式是2NaHCO3=====△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%。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、联合制碱法根据上图，写出生产纯碱的化学方程式：(1)NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3＋NH4Cl、(2)2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑。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”中的碱是指下列的()A．NaOHB．K2CO3C．Na2CO3D．NaHCO3解析：选C。“侯氏制碱法”中的碱是指Na2CO3。2.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：选D。联合制碱法把氯化氨和纯碱两种产品联合生产，提高了食盐利用率，缩短了生产流程，减少了对环境的污染。3.下列属于侯氏制碱法的优点的是()A．氨和二氧化碳由合成氨厂提供B．母液可回收制氯化铵C．氯化钠的利用率达96%D．以上全是解析：选D。侯氏制碱法的优点有原料易得，NaCl的利用率高，而且产生的NH4Cl可以作肥料。要点1索尔维制碱法探究导引1索尔维法制碱的工艺流程是怎样的？提示：索尔维制碱法：此法所用的原料为食盐、石灰石，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↓＋NH4Cl4.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↑＋2H2O1.以下关于索尔维制碱法的描述正确的是()A．使用的原料为NaCl、Ca(OH)2B．精制盐水后应先通入CO2再通入过量的NH3C．析出NaHCO3后的母液中已无NaCl，只有NH4ClD．索尔维法的缺点是盐利用率只有70%，生成的CaCl2难处理解析：选D。索尔维制碱法又叫氨碱法，主要原料有NaCl、CaCO3；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。要点2联合制碱法探究导引2侯氏制碱法的工艺流程是怎样的？提示：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。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。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。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＋2×53.5×100%＝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＋2×53.5×100%＝49.77%题型1氨碱法根据氨碱法的原理，首先配制氨化饱和食盐水，即向饱和食盐水中加入氨水(体积比1∶1)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)用化学方程式分别表示出氨和二氧化碳在水中产生NH＋4、HCO－3的原理______________________________。(2)向饱和食盐水中加入氨水和通入二氧化碳的先后顺序是先加氨水后通二氧化碳。是否可以先通二氧化碳后加氨水？为什么？(3)写出氨碱法生成碳酸氢钠的化学方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【解析】在通常状况下，氨在水中的溶解度近700体积，二氧化碳在水中的溶解度仅约1体积。【答案】(1)NH3＋H2ONH3·H2ONH＋4＋OH－或(NH3＋H2ONH＋4＋OH－)；CO2＋H2OH2CO3HCO－3＋H＋(或CO2＋H2OHCO－3＋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－3，不利于生成NaHCO3沉淀(3)NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl(或NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl)题型2联合制碱法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)表如下所示：温度0℃10℃20℃30℃40℃50℃60℃100℃盐度解溶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：(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