1、第 5 课时 纯碱的生产 学案 【学习目标】 1.了解索尔维制碱法和侯氏制碱法的化学反应原理、主要原料和生产过程。 2.了解纯碱的丰要性质和用途。 3.了解纯碱生产对环境的影响及解决方法。 4.通过对索尔维制碱法和侯氏制碱法的对比，提高分析与解决问题的能力。 【重点难点】 掌握路布兰法索尔维法联合制碱法(侯氏制碱)的基本原理。 课前预习 【情景材料】 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
2、国化学家对世界文明所作的重大贡献” 。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？那现代工业上是怎样制备 的呢？ 【预习内容】 根据教材有关内容填写下列空白： 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 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： (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。 三、氨碱法生产纯碱 1.原料 氨碱法
3、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。 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： ， ， 。 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： ， 。 预习内容答案 一、纯碱 玻璃、制皂、造纸、纺织 漂染 钠 口碱 二、硫酸 食盐 木炭 石灰石 NaClH 2SO4 NaHSO4HCl = = = = =120 NaClNaHSO
4、 4 Na2SO4HCl = = = = = = = =600 700 Na2SO42C Na2S2CO 2 = = = = =100 Na2SCaCO 3 Na2CO3CaS = = = = =100 原料利用不充分较 成本较高 设备腐蚀严重 三.索尔维 索尔维制碱 NH3CO 2H 2O=NH4HCO3 NaClNH 4HCO3=NaHCO3NH 4Cl 2NaHCO3 Na2CO3CO 2H 2O= = = = = 四、氨碱 合成 氯化 氨 二氧化碳 氨 二氧化碳 NaClNH 4HCO3=NaHCO3NH 4Cl 2NaHCO3 Na2CO3CO 2H 2O= = = = = 堂中互动
5、 【问题探究 1】从天然碱的形成推测碳酸钠在水中结晶析出主要受到哪些因素的影响？ 【教师点拨】关键从影响物质在水中的溶解度因素出发。 分析解答:天然碱的生产主要是利用碳酸钠从水溶液中结晶析出，因此，根据固体物质在水 中溶解度的影响因素，改变温度、结晶水合物的组成以及溶剂水的质量等因素，可以改变 碳酸钠在水中的溶解情况，提高结晶析出的速率和质量（纯度） 。 【即学即练 1】向饱和 Na2CO3 溶液中通入足量 CO2，结果有晶体析出，对析出晶体的原因 分析不正确的是( ) A.相同温度下，Na 2CO3 的溶解度大于 NaHCO3 B.溶液中溶剂减少了 C.溶质质量增加了 D.反应过程放热 1.
6、D【解析】本题考查的是 Na2CO3 与 CO2 反应的知识，根据反应方程式 Na2CO3CO 2H 2O=2NaHCO3 可以得出：通过反应，溶剂质量减少，溶质质量增加，由 于 Na2CO3 的溶解度大于 NaHCO3，因此有 NaHCO3 晶体析出。 【问题探究 2】索尔维法制碱生产的主要过程可划分为哪几个阶段？索尔维法制碱的工艺 流程是怎样的？氨碱法有何优、缺点？ 【教师点拨】关键要求学生从课本中找信息点，将信息转化成化学用语。 分析解答：盐水的精制盐水氨化氨盐水碳酸化碳酸氢钠的转化氨的循环 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、
7、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。 【即学即练 2】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、CO 2、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 2.AD【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 NaClNH 3CO 2H 2O=NaHCO3NH 4Cl，而 NH3 与 CO2 为 1
8、1 时才能生成 NaHCO3，但 CO2 在水中溶解度小，先通入 CO2，CO 2 溶解度小，再通入 NH3 时，NH 3 过 量而 CO2 太少；析出 NaHCO3 后母液中仍有 NaHCO3、NaCl、NH 4Cl；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。 【问题探究 3】联合制碱法的主要生产过程有哪些？侯氏制碱法的工艺流程是怎样的？侯 氏制碱法比索尔维制碱法有何优越性？ 【教师点拨】关键要求学生从课本中找信息点，将信息转化成化学用语。 分析解答：联合制碱法：盐水精制盐水氨化氨盐水碳酸化制Na 2CO3回收CO 2循环 制NH 4Cl。 保留了氨碱法的优点
9、，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH 4Cl可作氮肥； 可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO 2，革除了CaCO 3制CO 2这一工序。 【即学即练 3】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。下列说法不正确的是( ) A.“联合制碱法”和“氨碱法 ”的化学反应原理中都有下列化学反应 NH3CO 2NaClH 2O=NaHCO3NH 4Cl 2NaHCO3 Na2CO3H 2OCO 2= = = = = B.“联合制碱法”生产中有氨的循环利用工艺 C.“氨碱法”生产中有氨的循环利用工艺 D.“联合制碱法”和“氨碱法 ”都有一定
10、的局限性 3.B【解析】 “氨碱法”将 NH4Cl 和 Ca(OH)2 再反应，使 NH3 循环利用；“联合制碱法”是 制得纯碱和副产品氯化铵。 练案 A 组（课堂反馈 满分 50 分） 一、选择题（每小题 5 分，共 35 分） 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 1.D【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。 2.下列物质的用途中不正确的是( ) A.小苏打：制糕点 B小苏打：发酵粉主要成分 C过氧化钠：制 O2 D烧碱：治疗胃酸 2.D【解
11、析】小苏打是 NaHCO3 的俗名，它可用于制糕点、作发酵粉以及治疗胃酸过多等。 2Na2O22H 2O= 4NaOH O2，可用 Na2O2 来制 O2。 3.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 3.D【解析】侯氏联合制碱法是将合成氨工业和制碱工业联合起来，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%；NH 4Cl 可作氮肥，避免了生成大量无用的 CaCl2；同时可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气 CO 转化成 CO2，革除了 CaCO3 制 CO2 这一工序
12、，降低了生产成本，减少了对环境的污染。 4.1791 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： 用 NaCl 与 H2SO4 反应制 Na2SO4：2NaClH 2SO4 Na2SO42HCl= = = = = 用焦炭还原 Na2SO4 制 Na2S：Na 2SO44C Na2S4CO = = = = =煅 烧 用硫化钠与石灰石反应制 Na2CO3：Na 2SCaCO 3 Na2CO3CaS = = = = =煅 烧 下列说法正确的是( ) A.两步都是氧化还原反应 B.只有第步是氧化还原反应 C.该方法对生产设备基本没有腐蚀 D.该方法对环境
13、污染较小 4.B【解析】依据氧化还原反应是有化合价变化的反应可知，第步是氧化还原反应，故 A 错，B 对；该生产中产生 HCl，对生产设备严重酸蚀；第步产生的 CO 是大气污染物，故 C、D 错。 5.根据课本的介绍，下列工业生产过程中不需要使用氨水或氨气的是（ ） A.硫酸的工业制法 B.石油的催化裂化 C.硝酸的工业制法 D.联合制碱工业 5.B【解析】工业上用氨水来吸收制备硫酸尾气中的二氧化硫，选项 A 对；选项 B 中，不 需要使用氨气或氨水，选项 B 对；选项 C 中，氨气是工业上制备硝酸的原料之一，选项 C 错；选项 D 中，氨气是联合制碱中的反应物，选项 D 错；正确答案为 B。
14、 6.工业上常用氨碱法制取碳酸钠(将氨和二氧化碳先后通入饱和食盐水而析出小苏打，再经 过滤、煅烧而得到纯碱)，但却不能用氨碱法制碳酸钾，这是因为在溶液中( ) AKHCO 3 溶解度较大 BKHCO 3 溶解度较小 CK 2CO3 溶解度较大 DK 2CO3 溶解度较小 6.A【解析】氨碱法制取 Na2CO3 的原理是，在精制的食盐水中分别通入 NH3、CO 2，由于 NaHCO3 溶解度不大，当 Na ，HCO 3 浓度较大时便析出 NaHCO3 晶体，将过滤得到的 NaHCO3 煅烧得 Na2CO3，反应的方程式为：NH 3H 2OCO 2=NH4 (aq)HCO 3 (aq)， Na (
15、aq)HCO 3 (aq)=NaHCO3(s)，2NaHCO 3 Na2CO3H 2OCO 2。由于= = = = = KHCO3 溶解度较大，无法从溶液中析出，故无法利用氨碱法制取 K2CO3。 7.1892 年比利时人索尔维以 NaCl、CO 2、NH 3、H 2O 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
16、用 D.从理论上看，每再生产 1 mol Na2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是补充 2 mol NaCl 和 1 mol CO2 7.C【解析】本题属于实验评价题。工业制碱的原理涉及反应： NaClNH 3CO 2H 2O=NaHCO3NH 4Cl,2NaHCO3=Na2CO3CO 2H 2O。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 1 mol Na2CO3,2NaCl2NH 32CO 22
17、NaHCO 3Na 2CO3CO 2，再补充的物质及其物质的量分 别是 2 mol NaCl 和 1 mol CO2。 二、填空题（共 15 分） 8.(6 分) 根据氨碱法的原理，首先配置氨化饱和食盐水，即向饱和食盐水中加入氨水( 体 积比 11)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 NH4 、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
18、方程式_ 。 8.(1)NH3H 2O NH3H2O NH4 OH 或(NH 3H 2O NH4 OH )；(1 分) CO2H 2O H2CO3 HCO3 H (或 CO2H 2O HCO3 H ) (1 分) (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 HCO3 ，不利于生成 NaHCO3 沉淀(2 分) (3)NaClNH 4HCO3=NaHCO3NH 4Cl(或 NaClNH 3CO 2H 2O=NaHCO3NH 4Cl) (2 分) 【解析】 在通常状况下，氨在水中的溶解度近 700 体积，
19、二氧化碳在水中的溶解度仅约 1 体积。 9.(9 分)根据侯德榜制碱法原理参考下表的数据，实验室制备纯碱(Na 2CO3)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 3035 ，在搅拌下分批加入研 细的 NH4HCO3 固体；加料完毕后，继续保温 30 min，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，灼热 2 h，制得 Na2CO3 固体。 四种盐在不同温度下的溶解度(S/100 g) 温度 溶解度 盐 0 10 20 30 40 50 60 100 NaCl 35.7 35.8 36.0 36.3 36.6 37.0 3
20、7.3 39.8 NH4HCO3 11.9 15.8 21.0 27.0 NaHCO3 6.9 8.1 9.6 11.1 12.7 14.5 16.4 NH4Cl 29.4 33.3 37.2 41.4 45.8 50.4 55.3 77.3 (说明：35 ，NH 4HCO3 会分解) 请回答： (1)反应温度控制在 3035 ，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 min，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(用化学式表示) 。 (3)过
21、滤所得的母液中含有_( 用化学式表示)，需加入 _，并作进一步处理，使 NaCl 溶液循环使用，同时可回收 NH4Cl。 9.(1)NH4HCO3 分解（1 分） 反应速率降低（1 分） 水浴加热（1 分） (2)使反应充分进行（1 分） 3035 时，NaHCO 3 的溶解度最小（1 分） NaCl、NH 4Cl、NH 4HCO3（1 分） (3)NaHCO3、NaCl、NH 4Cl、NH 4HCO3（2 分） HCl（1 分） 【解析】(1)由题意知，大于 35 时 NH4HCO3 分解，故温度不能超过 35 ，若低于 30 反应速率降低，要控制此温度范围应用水浴加热。 (2)保温 30
22、min 是为了使反应充分进行，提高原料的利用率和 NaHCO3 的产率，由表可知， 只析出 NaHCO3 晶体的原因是因为在 3035 时 NaHCO3 的溶解度最小；洗涤的目的是 为了除去溶液中的其他杂质如 NaCl、NH 4Cl、NH 4HCO3 等。 (3)过滤所得的母液中含有 NaHCO3、NH 4Cl、NaCl、NH 4HCO3，可以加 HCl 使之全部生成 NaCl。 B 组（课后拓展） 1.联合制碱法中关键的一步是把 NH4Cl 从几乎饱和的 NaHCO3 溶液中分离出来，为此根据 NaCl 和 NH4Cl 溶解度的差异，向混合溶液中通入某种气体，同时加入磨细的食盐，可析 出不夹
23、带 NaHCO3 的 NH4Cl。NaCl 和 NH4Cl 共同存在时的溶解度曲线如图所示，以下操 作正确的是（ ） 1.D【解析】由题图可知，溶液的温度在 010 的范围内，有利于 NaCl 的溶解和 NH4Cl 的析出。向溶液中加 NaCl 就是加 Na 和 Cl ，向溶液中加 NH3就是加 OH 和 NH4 ，这些都 有利于 NH4Cl 的析出和 NaHCO3的溶解。 2.工业上可用食盐和石灰石为主要原料，经不同的方法生产纯碱。请回答下列问题： (1)卢布兰芳是以食盐、石灰石、浓硫酸、焦炭为原料，在高温下进行煅烧，再浸取，结晶 而制得纯碱。 食盐和浓硫酸反应的化学方程式为_； 硫酸钠和焦
24、炭、石灰石反应的化学方程式为_ _(已知产物之一为 CaS)； (2)氨碱法的工艺如下图所示，得到的碳酸氢钠经煅烧生成纯碱。 图中的中间产物 C 是_ ，D_。(写化学式)； 装置乙中发生反应的化学方程式为_； (3)联合制碱法对氨碱法的改进，其优点是_ ； (4)有人认为碳酸氢钾与碳酸氢钠的化学性质相似，故也可用氨碱法以氯化钾和石灰石为原 料制碳酸钾。请结合下图的溶解度(S) 随温度变化曲线，分析说明是否可行？_ _。 通入气体 温度控制 A CO2 3040 B CO2 010 C NH3 3040 D NH3 010 2.(1)2NaCl+ H 2SO4(浓) Na2SO4 + 2 HC
25、l Na 2SO4 + 4C + CaCO3 CaS + Na2CO3 + 4CO 或 Na2SO4 + 2C + CaCO3 CaS + Na2CO3 + 2CO2 (2)Ca(OH) 2 ，NH 3；NH 3 + CO2 +NaCl +H2O = NaHCO3 + NH4 Cl (3)保留了氨碱法的优点，使食盐的利用率提高到 96%；NH 4Cl 可做氮肥；可与合成氨厂联 合，原料气氨气和一氧化碳都由氨厂提供，减少 CaCO3 制 CO2 这一工序，降低了能耗与 污染。 (4)不可行，因为碳酸氢钾溶解度较大,且在常温下与氯化钾的溶解度差别小，在氨盐水碳酸 化时无法大量析出。 【解析】 (1
26、)是考查工业生产中的基本原理；(2)是生产过程中工艺的考查，在细读生产工 艺图中各物质的变化后，可得出；(3)考查对教材知识的掌握情况； (4)分析图可看出 NaHCO3 与新信息 KHCO3 在溶解度图中的差别，可推测溶解度的差别是判断的依据。 3.我国化工专家侯德榜的侯氏制碱法为世界制碱工业作出了突出贡献。他以 NaCl、NH 3、CO 2 等为原料制得 NaHCO3，进而生产出纯碱，有关反应的化学方程式为： NH3CO 2H 2O=NH4HCO3 NH4HCO3NaCl= =NaHCO3NH 4Cl 2NaHCO3 Na2CO3CO 2H 2O= = = = = (1)碳酸氢铵与饱和食盐
27、水反应，能析出碳酸氢钠晶体的原因是_( 填字母标号)。 a碳酸氢钠难溶于水 b碳酸氢钠受热易分解 c碳酸氢钠的溶解度相对较小，所以在溶液中首先结晶析出 (2)某探究活动小组根据上述制碱原理，进行碳酸氢钠的制备实验，同学们按各自设计的方 法实验。 一位同学将二氧化碳气体通入含氨的饱和食盐水中制备碳酸氢钠，实验装置如下图所示 (图中夹持、固定用的仪器未画出) ： 试回答下列有关问题： ()乙装置中的试剂是_ ； ()丁装置中稀硫酸的作用是_ 。 ()实验结束后，分离出 NaHCO3 晶体的操作是_(填分离操作的名称) 。 另一位同学用下图中戊装置(其他装置未画出) 进行实验： ()实验时，须先从_
28、管通入_气体，再从 _管中通入_气体； ()有同学建议在戊装置的 b 管下端连接己装置，原因是 _ _ 。 (3)请你再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法：_ 。 3.(1)c (2)( )饱和碳酸氢钠溶液 () 吸收未反应的 NH3(答“ 防止倒吸”或“吸收 CO2”不可 以) ()过滤 ()a NH 3 b CO 2 () 增大气体与溶液接触面积，提高 CO2 吸收率 (3)往烧碱溶液中通入过量 CO2(或往饱和 Na2CO3溶液中通入过量 CO2等，其他合理方法均可) 【解析】(1)在溶液中溶解度最小的物质最先析出。(2)除去 CO2 中的 HCl 用饱和 NaHCO3 溶液；H 2SO4 吸收挥发出来的 NH3；NaHCO 3 以固体形式析出，应采用过滤操作。 侯氏制碱法应向饱和 NaCl 溶液中先通 NH3 后通 CO2，因为 NH3 溶解度大，可吸收更多 CO2，生成较多 NaHCO3 固体；NH 3 极易溶于水，易发生倒吸，所以从 a 管进入；己为多 孔球泡，可增大接触面积。(3)可利用以下反应原理制备 NaHCO3：NaOHCO 2=NaHCO3，Na 2CO3CO 2H 2O=2NaHCO3。
