新教材適用2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第2章海水中的重要元素-鈉和氯研究與實(shí)驗(yàn)1純堿的生產(chǎn)歷史學(xué)案新人教版必修第一冊(cè)

探討與試驗(yàn)1純堿的生產(chǎn)歷史【探討目的】純堿是一種重要的化工原料，具有廣泛的用途。通過查閱資料，了解純堿的生產(chǎn)歷史，感受化學(xué)工業(yè)發(fā)展過程中技術(shù)進(jìn)步的重要性，以及建設(shè)生態(tài)文明的意義?！静牧祥喿x】1．路布蘭制堿法1791年法國醫(yī)生路布蘭首先取得專利，以食鹽為原料，制得了純堿，稱為路布蘭制堿法。(1)制取原理與步驟①首先使氯化鈉與硫酸反應(yīng)，生成硫酸鈉：2NaCl＋H2SO4Na2SO4＋2HCl↑。②然后用焦炭還原硫酸鈉得硫化鈉：Na2SO4＋4C高溫,Na2S＋4CO↑。③最終利用硫化鈉與石灰石的反應(yīng)生產(chǎn)碳酸鈉：Na2S＋CaCO3=Na2CO3＋CaS。(2)制取方法評(píng)價(jià)路布蘭制取純堿，主要生產(chǎn)過程在固相中進(jìn)行，難以連續(xù)生產(chǎn)，又需硫酸做原料，設(shè)備腐蝕嚴(yán)峻，產(chǎn)品質(zhì)量不純，原料利用不充分，價(jià)格較貴，所以在20世紀(jì)20年頭被淘汰。2．索爾維制堿法1861年比利時(shí)工程師索爾維獨(dú)創(chuàng)的純堿制法，是以食鹽(氯化鈉)、石灰石(經(jīng)煅燒生成生石灰和二氧化碳)、氨氣為原料來制取純堿。(1)制取原理與步驟①在飽和食鹽水中先通入氨氣，再通入二氧化碳，析出碳酸氫鈉：NaCl＋NH3＋CO2＋H2O=NaHCO3↓＋NH4Cl。②高溫煅燒石灰石，生成的CO2通入氨鹽水中，CaO制備石灰乳：CaCO3CaO＋CO2↑、CaO＋H2O=Ca(OH)2。③氯化銨濾液與石灰乳混合加熱：2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O，反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣循環(huán)運(yùn)用。④過濾、洗滌、煅燒碳酸氫鈉晶體，得到純堿產(chǎn)品：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O，反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳循環(huán)運(yùn)用。總反應(yīng)：CaCO3＋2NaClCaCl2＋Na2CO3(2)制取方法評(píng)價(jià)此法食鹽利用率比路布蘭制堿法高，產(chǎn)品較純凈，成本低。缺點(diǎn)：原料中一半成分未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。3．侯氏制堿法1943年我國化學(xué)工業(yè)科學(xué)家侯德榜獨(dú)創(chuàng)創(chuàng)建了聯(lián)合制堿法，即將氨堿法(又稱索爾維制堿法)和合成氨法兩種工藝聯(lián)合起來，同時(shí)生產(chǎn)純堿和氯化銨兩種產(chǎn)品的方法。原料是食鹽、氨和二氧化碳，二氧化碳為合成氨廠用水煤氣制取氫氣時(shí)的廢氣。(1)制取原理與步驟①低溫下先向飽和食鹽水中通入氨氣，然后通入二氧化碳可析出碳酸氫鈉，再加入食鹽細(xì)粉，因氯離子存在及低溫條件使氯化銨溶解度突然降低，而食鹽的溶解度改變不大，所以氯化銨析出而食鹽不析出；再用氨飽和后通二氧化碳，結(jié)果相繼析出NaHCO3和NH4Cl，NH3＋H2O＋CO2=NH4HCO3；NH4HCO3＋NaCl=NH4Cl＋NaHCO3↓。②加熱使NaHCO3分解得到Na2CO3，生成的CO2可循環(huán)運(yùn)用：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。(2)制取方法評(píng)價(jià)①符合現(xiàn)在提倡的“綠色化學(xué)的要求”，提高了原料(NaCl)的利用率，不產(chǎn)生無用的CaCl2。②利用了大規(guī)模聯(lián)合生產(chǎn)的優(yōu)越性，利用一個(gè)廠的廢料，作為另一個(gè)廠的主要原料。如合成氨廠的廢料CO2可以作為堿廠的主要原料；堿廠無用的Cl－可以代替價(jià)格比較昂貴的硫酸用來固定氨，制成氮肥，降低了成本，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益?！痉治鎏接憽?．依據(jù)所閱讀資料，分析后一種制堿法與前一種制堿法相比所具有的優(yōu)勢(shì)是什么？_氨堿法(索爾維制堿法)相比于路布蘭制堿法的優(yōu)點(diǎn)是原料(食鹽和石灰石)便宜；產(chǎn)品純堿的純度高；副產(chǎn)品氨和二氧化碳都可以回收循環(huán)運(yùn)用；制造步驟簡潔，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。侯氏制堿法與氨堿法相比較，其優(yōu)點(diǎn)是食鹽的利用率大大提高，用等量的食鹽可生產(chǎn)更多的純堿，同時(shí)得到氮肥氯化銨，不再產(chǎn)生廢渣氯化鈣，削減了對(duì)環(huán)境的污染，并且大大降低了純堿和氮肥的成本，充分體現(xiàn)了大規(guī)模聯(lián)合生產(chǎn)的優(yōu)越性。__2．從生態(tài)文明建設(shè)的角度，思索侯氏制堿法的意義。_削減了對(duì)環(huán)境的污染，有助于環(huán)境愛護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)，原料利用率高，產(chǎn)率高，降低了成本，削減了資源的奢侈和能源的消耗。__【結(jié)果與探討】1．侯氏制堿法的反應(yīng)原理能發(fā)生的緣由是什么？_碳酸氫鈉的溶解度小，在此條件下可以生成沉淀，從而使反應(yīng)發(fā)生。__2．從原材料的角度綜合考慮，你認(rèn)為制堿工廠可以與哪些工廠就近建設(shè)？_合成氨、石灰、水泥廠等。__3．侯氏制堿法中先通入氨氣至飽和再通入二氧化碳的優(yōu)點(diǎn)是什么？_氨氣易溶于水，且溶于水后顯堿性，有助于汲取二氧化碳，從而析出更多的碳酸氫鈉。__跟蹤訓(xùn)練1．下圖是侯氏制堿法在試驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)的生產(chǎn)流程示意圖，則下列敘述正確的是(C)A．A氣體是CO2，B氣體是NH3B．第Ⅲ步得到的晶體是Na2CO3·10H2OC．侯氏制堿法的工藝流程中應(yīng)用了物質(zhì)溶解度的差異D．第Ⅳ步操作的主要過程有溶解、蒸發(fā)、結(jié)晶2．如圖是模擬“侯氏制堿法”制取NaHCO3的部分裝置。下列操作正確的是(C)A．a(chǎn)先通入CO2，然后b通入NH3，c中放堿石灰B．b先通入NH3，然后a通入CO2，c中放堿石灰C．a(chǎn)先通入NH3，然后b通入CO2，c中放蘸有稀硫酸的脫脂棉D(zhuǎn)．b先通入CO2，然后a通入NH3，c中放蘸有稀硫酸的脫脂棉3．“索爾維制堿法”工藝流程如圖所示，請(qǐng)回答下列問題：(1)向飽和氯化鈉溶液中先通入_NH3__，效果更好。反應(yīng)制得NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液的化學(xué)方程式為NaCl＋NH3＋CO2＋H2O=NaHCO3↓＋NH4Cl。(2)索爾維制堿法除了得到純堿外，還會(huì)產(chǎn)生一種廢渣_CaCl2__。侯氏制堿法在此工藝上改進(jìn)，不再運(yùn)用碳酸鈣制備CO2，而是在制備NH3的過程中制得CO2，則侯氏制堿法在得到純堿的同時(shí)還制得了_NH4Cl__，此物質(zhì)在農(nóng)業(yè)上的用途是_作氮肥__。4．某化學(xué)愛好小組模擬“侯氏制堿法”制純堿并進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。Ⅰ.制備純堿：先以NaCl、NH3、CO2和水等為原料，用如圖所示裝置制取NaHCO3，然后再將NaHCO3制備成Na2CO3。(1)裝置甲中反應(yīng)的離子方程式為CaCO3＋2H＋=Ca2＋＋CO2↑＋H2O；裝置乙的作用是_除去CO2中的HCl氣體__，反應(yīng)的化學(xué)方程式為NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑。(2)反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，視察到裝置丙中試劑瓶內(nèi)溶液中有白色固體析出，經(jīng)檢驗(yàn)該白色固體是NaHCO3。裝置丙中可得兩種產(chǎn)物，分別是NaHCO3和另一種鹽，裝置丙中反應(yīng)的化學(xué)方程式為NH3＋CO2＋H2O＋NaCl=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)用裝置丙中產(chǎn)生的NaHCO3制取Na2CO3時(shí)，須要進(jìn)行的試驗(yàn)操作有_過濾__、洗滌固體、_灼燒__，最終一步發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。Ⅱ.測(cè)定所得產(chǎn)品的組成和純度(4)檢驗(yàn)純堿樣品中是否混有NaHCO3，請(qǐng)選擇下列裝置設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并完成下表：選擇的裝置(填編號(hào))試驗(yàn)現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)論_A、B(或A、C或A、C、B)___B中澄清碳水變渾濁(或C中物質(zhì)變藍(lán)或C中物質(zhì)變藍(lán)，B中澄清石灰水變渾濁)__樣品中含NaHCO3(5)測(cè)定該純堿樣品的純度：稱取m1g樣品置于小燒杯中，加水溶解，滴加足量CaCl2溶液，將反應(yīng)混合物過濾、洗滌、干燥、稱量，得到固體的質(zhì)量為m2g，則該純堿樣品的純度為eq\f(106m2,m1)%。解析：(1)裝置甲中碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)生成氯化鈣、二氧化碳和水，反應(yīng)的離子方程式是CaCO3＋2H＋=Ca2＋＋CO2↑＋H2O；裝置乙的作用是用碳酸氫鈉除去二氧化碳中的氯化氫，反應(yīng)的化學(xué)方程式為NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑。(2)裝置丙中氯化鈉與二氧化碳、氨氣反應(yīng)可得兩種產(chǎn)物，分別是NaHCO3和另一種鹽，依據(jù)元素守恒，另一種鹽是氯化銨，反應(yīng)的化學(xué)方程式是NH3＋CO2＋H2O＋NaCl=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)用裝置丙中產(chǎn)生的NaHCO3制取Na2CO3時(shí)，須要進(jìn)行的試驗(yàn)操作有過濾、洗滌固體、灼燒，灼燒碳酸氫鈉發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。(4)用裝置A加熱分解NaHCO3，用澄清石灰水檢驗(yàn)是否有二氧化碳?xì)怏w放出，選擇裝置B，若澄清石灰水變渾濁，則含有NaHCO3，或用無水CuSO4檢驗(yàn)H2O，選擇裝置C。若白色固體變?yōu)樗{(lán)色，則含有NaHCO3；或先用無水CuSO4檢驗(yàn)H2O，再用澄清石灰水檢驗(yàn)CO2。(5)設(shè)樣品中Na2CO3的質(zhì)量