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研究与实践　了解纯碱的生产历史
【研究目的】
纯碱是一种重要的化工原料，具有广泛的用途。通过查阅资料，了解纯碱的生产历史，感受化学工业发展过程中技术进步的重要性，以及建设生态文明的意义。
【研究任务】
1．路布兰制碱法
1791年法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，称为路布兰制碱法。
(1)制取原理与步骤
①首先使氯化钠与硫酸反应，生成硫酸钠：
2NaCl＋H2SO4Na2SO4＋2HCl↑。
②然后用焦炭还原硫酸钠得硫化钠：
Na2SO4＋4CNa2S＋4CO↑。
③最后利用硫化钠与石灰石的反应生产碳酸钠：
Na2S＋CaCO3Na2CO3＋CaS。
(2)制取方法评价
路布兰制取纯碱，主要生产过程在固相中进行，难以连续生产，又需硫酸做原料，设备腐蚀严重，产品质量不纯，原料利用不充分，价格较贵，所以在20世纪20年代被淘汰。
2．索尔维制碱法
1861年比利时工程师索尔维发明的纯碱制法，是以食盐(氯化钠)、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)为主要原料来制取纯碱。
(1)制取原理与步骤
①在饱和食盐水中先通入氨，再通入二氧化碳，析出碳酸氢钠：
NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。
②高温煅烧石灰石，生成的CO2通入氨盐水中，CaO制备石灰乳：
CaCO3CaO＋CO2↑、===。
③氯化铵滤液与石灰乳混合加热：
2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O，反应产生的氨循环使用。
④过滤、洗涤、加热碳酸氢钠，得到纯碱产品：
2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O，反应产生的二氧化碳循环使用。
总反应：CaCO3＋2NaClCaCl2＋Na2CO3。
(2)制取方法评价
此法食盐利用率比路布兰制碱法高，产品较纯净，成本低。
缺点：原料中一半成分未能转化为产品。
3．侯氏制碱法
1943年我国化学工业科学家侯德榜发明创建了联合制碱法，即将氨碱法(又称索尔维制碱法)和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。原料是食盐、氨和二氧化碳，二氧化碳为合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。
(1)制取原理与步骤
①低温下先向饱和食盐水中通入氨，然后通入二氧化碳可析出碳酸氢钠，再加入食盐细粉，因氯离子存在及低温条件使氯化铵溶解度突然降低，而食盐的溶解度变化不大，所以氯化铵析出而食盐不析出；再用氨饱和后通二氧化碳，结果相继析出NaHCO3和NH4Cl：NH3＋H2O＋CO2===NH4HCO3；NH4HCO3＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓。
②加热使NaHCO3分解得到Na2CO3，生成的CO2可循环使用：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。
(2)制取方法评价
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利用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。
【结果与讨论】
1．根据以上研究分析后一种制碱法与前一种制碱法相比所具有的优势是什么？
提示：索尔维制碱法相比于路布兰制碱法的优点是原料(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。
侯氏制碱法与索尔维制碱法相比较，其优点是食盐的利用率大大提高，用等量的食盐可生产更多的纯碱，同时得到氮肥氯化铵，不再产生废渣氯化钙，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。
2．从生态文明建设的角度，思考侯氏制碱法的意义。
提示：减少了对环境的污染，有助于环境保护和生态文明建设，原料利用率高，产率高，降低了成本，减少了资源的浪费和能源的消耗。
【实践训练】
1．侯德榜为我国化工事业的发展作出了卓越贡献，其研发的生产纯碱的主要流程如图所示。请结合流程图判断下列说法不正确的是(　　)
已知：氨极易溶于水，且其水溶液呈弱碱性。
A．该流程中步骤①和②不可以调整顺序
B．该流程中可以循环利用的物质为CO2
C．该流程中产生碳酸氢钠的化学方程式为CO2＋NH3＋NaCl＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl
D．该流程中步骤③用离子方程式表示为＋CO2↑＋H2O
D　[NH3极易溶于水且其水溶液呈弱碱性，能吸收大量CO2，并得到大量NaHCO3，由于CO2在饱和食盐水中溶解度较小，CO2吸收效果不好，则步骤①、②不能调整顺序，A正确；NaHCO3受热分解生成CO2，饱和氨盐水吸收CO2生成碳酸氢钠，该流程中CO2可循环利用，B正确；流程中生成NaHCO3的化学方程式为CO2＋NH3＋NaCl＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，C正确；NaHCO3受热分解不是在溶液中发生的反应，步骤③不能用离子方程式表示，D错误。]
2．实验室模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3，反应原理为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl(NH3极易溶于水)。下列说法正确的是(　　)
A．装置A中使用“多孔球泡”的作用是防止倒吸
B．装置B中X溶液为饱和Na2CO3溶液，主要作用是吸收混合气体中的HCl
C．装置C中发生反应的离子方程式为＋2H＋===CO2↑＋H2O
D．利用锥形瓶中所得物质制备Na2CO3固体，还需经历过滤、洗涤、干燥及焙烧等过程
D　[使用“多孔球泡”可增大气体与溶液的接触面积，加快NH3吸收速率，不能防止倒吸，A错误；Na2CO3溶液与CO2、HCl均能发生反应，X溶液应为饱和NaHCO3溶液，B错误；根据装置C中反应可写出其离子方程式为CaCO3＋2H＋===Ca2+＋CO2↑＋H2O，C错误；NaHCO3固体受热分解得到Na2CO3固体，故利用锥形瓶中所得NaHCO3制备Na2CO3固体时，需进行过滤、洗涤、干燥及焙烧等过程，D正确。]
3．“索尔维制碱法”工艺流程如图所示，请回答下列问题：
(1)向饱和氯化钠溶液中先通入________，效果更好。反应制得NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液的化学方程式为____________________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)索尔维制碱法除了得到纯碱外，还会产生一种废渣________。侯氏制碱法在此工艺上改进，不再使用碳酸钙制备CO2，而是在制备NH3的过程中制得CO2，则侯氏制碱法在得到纯碱的同时还制得了________，此物质在农业上的用途是________。
[解析]　(1)由于氨极易溶于水，所以向饱和NaCl溶液中先通入氨，效果更好。反应制得NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液的化学方程式为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。(2)根据元素守恒可知反应过程中还有氯化钙生成。根据化学方程式NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl可知，侯氏制碱法在得到纯碱的同时还制得氯化铵，铵盐在农业上可作氮肥。
[答案]　(1)NH3　NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl　(2)CaCl2　NH4Cl　作氮肥
4．我国化学家侯德榜发明的“联合制碱法”为世界制碱工业作出了巨大贡献。
Ⅰ．如图为联合制碱法的主要过程(部分物质已略去)：
(1)①～③涉及的操作方法中，包含过滤的是______(填序号)。
(2)根据上述流程图，将化学方程式补充完整。
NH3＋CO2＋________＋________===NaHCO3↓＋NH4Cl。
(3)煅烧NaHCO3固体的化学方程式是___________________________________
_____________________________________________________________________。
Ⅱ．某小组利用下列装置对Na2CO3和NaHCO3的性质进行探究(夹持装置已略去，气密性已检查)。
(4)方框中为洗气装置，请将该装置图补充完整________。
(5)试剂a为饱和NaHCO3溶液，其作用是________________________________
_____________________________________________________________________。
(6)实验持续一段时间后，观察到饱和Na2CO3溶液中有细小晶体析出，用化学方程式表示产生细小晶体的原因： _________________________________________
_____________________________________________________________________。
[解析]　Ⅰ．向饱和食盐水中依次通入氨、二氧化碳气体发生反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，过滤得到的碳酸氢钠加热分解生成碳酸钠，溶液A中加入氯化钠析出氯化铵，过滤得到氯化铵晶体和溶液B(主要为氯化钠、氯化铵等)。(1)过滤是分离固体和液体的操作，分析可知①～③所涉及的操作方法中，包含过滤的是①③。(2)氨化的饱和食盐水中通入二氧化碳生成碳酸氢钠和氯化铵，反应的化学方程式：NH3＋CO2＋NaCl＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)碳酸氢钠受热分解生成碳酸钠、二氧化碳和水。
Ⅱ．(4)方框中为洗气装置，导气管长进短出。(5)试剂a为饱和NaHCO3溶液，其作用是吸收盐酸挥发出的HCl气体。(6)实验持续一段时间后，观察到饱和Na2CO3溶液中有细小晶体析出，为生成的碳酸氢钠晶体，反应的化学方程式为Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3↓。
[答案]　(1)①③　(2)NaCl　H2O　(3)2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O　(4)　(5)除去二氧化碳气体中的氯化氢　(6)Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3↓
6 / 6研究与实践　了解纯碱的生产历史
【研究目的】
纯碱是一种重要的化工原料，具有广泛的用途。通过查阅资料，了解纯碱的生产历史，感受化学工业发展过程中技术进步的重要性，以及建设生态文明的意义。
【研究任务】
1．路布兰制碱法
1791年法国医生路布兰首先取得专利，以食盐为原料，制得了纯碱，称为路布兰制碱法。
(1)制取原理与步骤
①首先使氯化钠与硫酸反应，生成硫酸钠：
2NaCl＋H2SO4Na2SO4＋2HCl↑。
②然后用焦炭还原硫酸钠得硫化钠：
Na2SO4＋4CNa2S＋4CO↑。
③最后利用硫化钠与石灰石的反应生产碳酸钠：
Na2S＋CaCO3Na2CO3＋CaS。
(2)制取方法评价
路布兰制取纯碱，主要生产过程在固相中进行，难以连续生产，又需硫酸做原料，设备腐蚀严重，产品质量不纯，原料利用不充分，价格较贵，所以在20世纪20年代被淘汰。
2．索尔维制碱法
1861年比利时工程师索尔维发明的纯碱制法，是以食盐(氯化钠)、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)为主要原料来制取纯碱。
(1)制取原理与步骤
①在饱和食盐水中先通入氨，再通入二氧化碳，析出碳酸氢钠：
NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。
②高温煅烧石灰石，生成的CO2通入氨盐水中，CaO制备石灰乳：
CaCO3CaO＋CO2↑、===。
③氯化铵滤液与石灰乳混合加热：
2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O，反应产生的氨循环使用。
④过滤、洗涤、加热碳酸氢钠，得到纯碱产品：
2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O，反应产生的二氧化碳循环使用。
总反应：CaCO3＋2NaClCaCl2＋Na2CO3。
(2)制取方法评价
此法食盐利用率比路布兰制碱法高，产品较纯净，成本低。
缺点：原料中一半成分未能转化为产品。
3．侯氏制碱法
1943年我国化学工业科学家侯德榜发明创建了联合制碱法，即将氨碱法(又称索尔维制碱法)和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。原料是食盐、氨和二氧化碳，二氧化碳为合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。
(1)制取原理与步骤
①低温下先向饱和食盐水中通入氨，然后通入二氧化碳可析出碳酸氢钠，再加入食盐细粉，因氯离子存在及低温条件使氯化铵溶解度突然降低，而食盐的溶解度变化不大，所以氯化铵析出而食盐不析出；再用氨饱和后通二氧化碳，结果相继析出NaHCO3和NH4Cl：NH3＋H2O＋CO2===NH4HCO3；NH4HCO3＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓。
②加热使NaHCO3分解得到Na2CO3，生成的CO2可循环使用：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。
(2)制取方法评价
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利用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。
【结果与讨论】
1．根据以上研究分析后一种制碱法与前一种制碱法相比所具有的优势是什么？
2．从生态文明建设的角度，思考侯氏制碱法的意义。
【实践训练】
1．侯德榜为我国化工事业的发展作出了卓越贡献，其研发的生产纯碱的主要流程如图所示。请结合流程图判断下列说法不正确的是(　　)
已知：氨极易溶于水，且其水溶液呈弱碱性。
A．该流程中步骤①和②不可以调整顺序
B．该流程中可以循环利用的物质为CO2
C．该流程中产生碳酸氢钠的化学方程式为CO2＋NH3＋NaCl＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl
D．该流程中步骤③用离子方程式表示为＋CO2↑＋H2O
2．实验室模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3，反应原理为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl(NH3极易溶于水)。下列说法正确的是(　　)
A．装置A中使用“多孔球泡”的作用是防止倒吸
B．装置B中X溶液为饱和Na2CO3溶液，主要作用是吸收混合气体中的HCl
C．装置C中发生反应的离子方程式为＋2H＋===CO2↑＋H2O
D．利用锥形瓶中所得物质制备Na2CO3固体，还需经历过滤、洗涤、干燥及焙烧等过程
3．“索尔维制碱法”工艺流程如图所示，请回答下列问题：
(1)向饱和氯化钠溶液中先通入________，效果更好。反应制得NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液的化学方程式为____________________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)索尔维制碱法除了得到纯碱外，还会产生一种废渣________。侯氏制碱法在此工艺上改进，不再使用碳酸钙制备CO2，而是在制备NH3的过程中制得CO2，则侯氏制碱法在得到纯碱的同时还制得了________，此物质在农业上的用途是________。
4．我国化学家侯德榜发明的“联合制碱法”为世界制碱工业作出了巨大贡献。
Ⅰ．如图为联合制碱法的主要过程(部分物质已略去)：
(1)①～③涉及的操作方法中，包含过滤的是______(填序号)。
(2)根据上述流程图，将化学方程式补充完整。
NH3＋CO2＋________＋________===NaHCO3↓＋NH4Cl。
(3)煅烧NaHCO3固体的化学方程式是___________________________________
_____________________________________________________________________。
Ⅱ．某小组利用下列装置对Na2CO3和NaHCO3的性质进行探究(夹持装置已略去，气密性已检查)。
(4)方框中为洗气装置，请将该装置图补充完整________。
(5)试剂a为饱和NaHCO3溶液，其作用是________________________________
_____________________________________________________________________。
(6)实验持续一段时间后，观察到饱和Na2CO3溶液中有细小晶体析出，用化学方程式表示产生细小晶体的原因： _________________________________________
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