高中鲁科版 (2019)微项目 揭秘索尔维制碱法和侯氏制碱法——化学平衡思想的创造性应用学案

第三章 微项目学案

1．碳酸钠和碳酸氢钠的物理性质

2.碳酸钠和碳酸氢钠之间的相互转化

Na2CO3NaHCO3

涉及反应：Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3。

3．侯氏制碱法

(1)原理：在饱和氨盐水中(氨气，氯化钠都达到饱和的溶液)通入二氧化碳从而发生如下反应 ：反应中的碳酸氢钠由于溶解度低而析出，可以进一步煅烧分解为碳酸钠，水和二氧化碳，其中二氧化碳可以再次进入反应重复利用。

(2)主要反应：

①NH3＋H2O＋CO2===NH4HCO3

②NH4HCO3＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓

③2NaHCO3(加热)===Na2CO3＋H2O＋CO2↑

即：NaCl(饱和溶液)＋NH3(先加)＋H2O(溶液中)＋CO2(后加)===NH4Cl＋NaHCO3↓ (溶解度一般，因为不断添加原料达到溶液饱和才沉淀)

(1)向Na2CO3、NaHCO3溶液中同时加入相同浓度的盐酸，有何现象？试用离子方程式说明其原因。

提示：向Na2CO3溶液中逐滴加入盐酸，开始时无气体生成，继续滴加则出现大量无色气泡；向NaHCO3溶液中滴加盐酸，立即产生大量无色气泡。有关的离子方程式为CO＋H＋===HCO，HCO＋H＋===H2O＋CO2↑。

(2)向Na2CO3、NaHCO3溶液中滴加同浓度的CaCl2溶液，产生的实验现象相同吗？原因是什么？

提示：不相同；图1中有白色沉淀生成，因为发生反应：Na2CO3＋CaCl2===2NaCl＋CaCO3↓。图2中无明显现象，因为NaHCO3与CaCl2不反应。

(3)能否用氢氧化钡溶液或澄清石灰水鉴别碳酸钠和碳酸氢钠溶液？

提示：不能。因为Na2CO3、NaHCO3均能与Ba(OH)2或Ca(OH)2反应，产生白色沉淀。

(4)NaHCO3溶液和NaOH反应吗？如何来证明？

提示：发生反应NaHCO3＋NaOH===Na2CO3＋H2O，但现象不明显，可通过检验反应后溶液中存在CO的方法加以证明。

关键能力·合作学习

项目活动1：解读索尔维制碱法

索尔维是比利时工业化学家。1861年他用氨溶液、二氧化碳与食盐混合制成碳酸钠(称为氨碱法)。当年他获得比利时政府给他的专利，在布鲁塞尔开设一个小厂从事试验。1863年创办一个正式的制碱工厂，实现了氨碱法的工业化，使制碱生产实现了连续化，食盐的利用率也提高了很多。产品由于质量纯净，而被称为纯碱。

索尔维制碱法的原理有哪些？为什么碳酸氢钠虽然溶于水但是可以以沉淀的形式析出？

索尔维制碱法基本工艺流程如下：

(1)碳酸氢钠可溶于水，而索尔维制碱法却能得到碳酸氢钠沉淀，试用平衡的原理进行解释。(变化观念与平衡思想)

提示：可溶性的碳酸氢钠也是有一定的溶解限度的，所以在溶液中存在沉淀溶解平衡2Na＋＋CO＋H2O＋CO22NaHCO3，当增加Na＋和CO的浓度时，沉淀溶解平衡正向移动，NaHCO3就会以沉淀的形式出现。

(2)碳酸氢钠和纯碱中不含氮元素，为什么使用吸收了氨气的饱和食盐水作为反应物？(宏观辨识与微观探析)

提示：事先向饱和食盐水中通入氨气，可以促进碳酸的电离，促进二氧化碳的溶解，从而增大HCO的浓度，使NaHCO3析出。

1．工艺流程

2．发生的主要反应

NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，

CaCO3CaO＋CO2↑，

2NH4Cl＋CaO===2NH3↑＋CaCl2＋H2O，

2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O

 “索尔维制碱法”工艺流程如图所示，请回答下列问题： 

(1)合成氨工业生产中所用的α­Fe催化剂的主要成分是FeO和Fe2O3 , 若某α­Fe催化剂中FeO和Fe2O3的物质的量相等，则其中Fe2＋与Fe3＋的物质的量之比是多少？

(2)向饱和NaCl溶液中先通入何种气体，效果更好？反应制得NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液的化学方程式是什么？

(3)索尔维制碱法除了得到纯碱外，还会产生一种废渣是什么？侯氏制碱法在此工业上改进，不再使用CaCO3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什么？此物质在农业上的用途是什么？

【解析】(1)某α­Fe催化剂中FeO和Fe2O3的物质的量相等，则其中Fe2＋与

Fe3＋的物质的量之比为1∶2。(2)为了增大二氧化碳的溶解性，所以向饱和NaCl溶液中先通入NH3，后通入CO2，效果更好，发生反应的方程式为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)根据索尔维制碱法的流程使用CaCO3制备CO2，最后用氢氧化钙与氯化铵反应生成氨气循环，同时生成氯化钙废渣；而侯氏制碱法不再使用CaCO3制备CO2，在得到纯碱的同时还制得了NH4Cl，所以此物质在农业上的用途是可以作氮肥。

答案：(1)1∶2

(2)NH3　NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl

(3)CaCl2　NH4Cl　作氮肥

【加固训练】

碳酸氢钠俗称“小苏打”，是氨碱法和联合制碱法制纯碱的中间产物，可用作膨松剂、制酸剂、灭火剂等。工业上用纯碱溶液碳酸化制取碳酸氢钠。某溶液组成如表一：

表一

向该溶液通入二氧化碳，析出碳酸氢钠晶体。取出晶体后溶液组成如表二：

表二

计算析出的碳酸氢钠晶体的质量(保留1位小数)。

【解析】根据表一和表二信息，反应的Na2CO3质量为

814．8 kg－137.7 kg＝677.1 kg。

Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3

106    　            168

677．1 kg             m(NaHCO3)

m(NaHCO3)＝1 073.1 kg。

因此析出NaHCO3晶体的质量为1 073.1 kg＋400.3 kg－428.8 kg＝1 044.6 kg。

答案：1 044.6 kg

项目活动2：体会侯氏制碱法的创新

侯德榜，著名科学家，杰出化学家，侯氏制碱法的创始人，中国重化学工业的开拓者。 近代化学工业的奠基人之一，是世界制碱业的权威。20世纪20年代，突破氨碱法制碱技术的奥秘，主持建成亚洲第一座纯碱厂；20世纪30年代，领导建成了中国第一座兼产合成氨、硝酸、硫酸和硫酸铵的联合企业；20世纪40～50年代，又发明了连续生产纯碱与氯化铵的联合制碱新工艺，以及碳化法合成氨流程制碳酸氢铵化肥新工艺；并使之在20世纪60年代实现了工业化和大面积推广。

侯氏制碱法的主要理论依据是什么？其主要生产过程中发生的主要反应有哪些？

(1)利用平衡思想解释氯化铵的析出过程。(变化观念与平衡思想)

提示：母液的主要成分是碳酸氢钠和氯化铵的混合溶液，由于碳酸氢钠的溶解度随温度的变化较小而氯化铵的溶解度随着温度的变化较大，温度低时溶解度较小，所以可以用降低温度从而降低溶解度的方式回收母液中的氯化铵。

(2)侯氏制碱法中主要涉及哪些平衡思想？(变化观念与平衡思想)

提示：侯氏制碱法中主要涉及的是沉淀溶解平衡的思想。当离子浓度变大时，Q>Ksp，导致沉淀溶解平衡正向移动，离子向生成沉淀的方向移动。

联合制碱法生产纯碱的工艺流程如下图所示。下列说法正确的是(　　)

A．氨化与碳酸化的先后顺序可以交换

B．操作Ⅰ和操作Ⅱ是两种不同的分离方法

C．该工艺流程中循环利用的物质是NH3和CO2

D．流程中的“一系列操作”包括通氨气、冷却、加食盐

【解析】选D。A.氨气极易溶于水，二氧化碳溶解度不大，先通入氨气，碱溶液中通入二氧化碳，二氧化碳溶解度增大，可以生成碳酸氢钠晶体，氨化与碳酸化的先后顺序不可以交换，A错误；B.操作Ⅰ和操作Ⅱ是相同的分离方法，为过滤操作，B错误；C.分析可知CO2 可以在工艺流程中循环利用，C错误；D.流程中的“一系列操作”包括通氨气增大铵根离子浓度、冷却、加食盐增大氯离子浓度，目的是得到氯化铵晶体，D正确。

课堂检测·素养达标

1．(2021·苏州高二检测)1861年比利时人索尔维以NaCl、CO2、NH3、H2O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来循环使用

D．从理论上看，每生产1 mol Na2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是2 mol NaCl和1 mol CO2

【解析】选C。工业制碱的原理涉及反应：NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。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，再补充2 mol NaCl和1 mol CO2。

【方法规律】索尔维法的优缺点

(1)优点：原料(食盐和熟石灰)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，且生成了没有多大用途的氯化钙(CaCl2)。

2．(双选)“侯氏制碱法”是我国化工专家侯德榜为世界制碱工业作出的突出贡献。某实验小组模拟“侯氏制碱法”的工艺流程及实验装置(部分夹持装置省略)如下：

下列叙述错误的是(　　)

A．实验时先打开装置③中分液漏斗的旋塞，过一段时间再点燃装置①的酒精灯

B．装置②的干燥管中可盛放蘸稀硫酸的脱脂棉，作用是吸收多余的NH3

C．向步骤Ⅰ所得滤液中通入氨气，加入细小的食盐颗粒并降温，可析出NH4Cl

D．用装置④加热碳酸氢钠可实现步骤Ⅱ的转化，所得CO2可循环使用

【解析】选A、D。因为氨气极易溶于水，而二氧化碳在水中溶解度非常小，所以应该先通入氨气，A项错误；过量氨气扩散到空气中会造成污染，所以要进行尾气吸收，2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4，B项正确；过滤碳酸氢钠晶体后，母液中含有氯化铵，在母液中通入氨气可以增大溶液中铵根离子的浓度，加入食盐颗粒可以增大氯离子的浓度，并降温都有利于NH4Cl以晶体的形式析出，C项正确；加热固体不可用烧杯，也实现不了二氧化碳循环利用，D项错误。

3．如图是模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3的部分装置。下列操作正确的是(　　)

A.由a通入CO2，然后由b通入NH3，c中放碱石灰

B．由b通入NH3，然后由a通入CO2，c中放碱石灰

C．由a通入NH3，然后由b通入CO2，c中放置蘸稀硫酸的脱脂棉

D．由b通入CO2，然后由a通入NH3，c中放置蘸稀硫酸的脱脂棉

【解析】选C。“侯氏制碱法”的原理是向饱和的NaCl溶液中先通入NH3，然后通入CO2，利用生成的碳酸氢钠溶解度小而析出。由于NH3在水中的溶解度大，所以先通NH3，但为了防倒吸，导管不能通入液面以下，然后由b通入CO2，考虑NH3的尾气处理，所以选择放置蘸稀硫酸的脱脂棉，即C项正确。

4．(2021·泉州高二检测)我国化工专家侯德榜根据NaHCO3溶解度比NaCl、Na2CO3、NH4HCO3、NH4Cl溶解度都小的性质，运用CO2＋NH3＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl的反应原理制备纯碱。下面是在实验室进行模拟实验的生产流程示意图：

气体A的饱和溶液A和食盐的饱和溶液悬浊液晶体纯碱

则下列叙述错误的是(　　)

A．A气体是NH3，B气体是CO2

B．第Ⅲ步得到的晶体是发酵粉的主要成分

C．第Ⅲ步操作用到的主要玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒

D．第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶

【解析】选D。侯氏制碱法是先制得氨化的饱和食盐水，再往其中通入CO2(即往饱和食盐水中依次通入足量的NH3、CO2，不能依次通入CO2、NH3，因为NH3在水中的溶解度远远大于CO2的溶解度，先将溶液氨化后，吸收CO2的效果更好)，第Ⅱ步即得到NaHCO3悬浊液，第Ⅳ步应将NaHCO3加热分解，以得到Na2CO3。

5．(2021·济南高二检测)我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：

(1)上述生产纯碱的方法中，副产品的一种用途为_____________________。

(2)沉淀池中发生的化学反应方程式是_______________________________。

(3)写出上述流程中X物质的分子式________。

(4)使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了________(填上述流程中的编号)的循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是__________。

(5)为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加______________________。

(6)向母液中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品，通氨气的作用有________。

a．增大NH的浓度，使NH4Cl更多地析出

b．使NaHCO3更多地析出

c．使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度

【解析】(1)该方法中的副产品是氯化铵，主要用途是作化肥或电解液等。(2)在碱性条件下CO2的溶解度增大，所以可以生成碳酸氢钠而析出，反应的化学方程式是NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓。(3)碳酸氢钠分解生成碳酸钠、水和CO2，所以X的化学式是CO2。(4)母液中含有氯化钠，所以通过循环Ⅰ可以提高氯化钠的利用率。从沉淀池中取出沉淀的操作应该是过滤。(5)检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠的实质是氯离子的检验，所以需要的试剂是稀硝酸和硝酸银溶液。(6)氨气溶于水生成氨水，增大溶液中NH的浓度，可以使NH4Cl更多地析出；同时溶液中氨气和HCO反应，反应的化学方程式是HCO＋NH3===NH＋CO，NH的浓度增大，碳酸氢钠转化为碳酸钠，所以答案选ac。

答案：(1)作化肥或电解液等(其他合理答案均可)

(2)NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓

或NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3、

NH4HCO3＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl

(3)CO2　(4)Ⅰ　过滤　(5)稀硝酸和硝酸银溶液　(6)a、c

素养新思维

6．纯碱是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、造纸、纺织和洗涤剂的生产。

(1)起初，人们从盐碱地和盐湖中获得纯碱，但远远不能满足工业发展的需要，纯碱的化学式为______________。

1791年，“路布兰制碱法”取得专利。该方法以硫酸、氯化钠、木炭、白垩石(主要成分为碳酸钙)为原料，但在20世纪20年代后被淘汰，因为生产过程中释放出HCl气体，该气体遇空气中的水蒸气易形成酸雾，腐蚀金属设备。

(2)1861年，“索尔维制碱法”问世，该方法是在用氯化钠溶液吸收两种工业废气时意外发现的，反应后生成碳酸氢钠和氯化铵(NH4Cl)，再加热碳酸氢钠即可制得纯碱，氯化钠溶液吸收的两种气体为______________________(填字母)。

A．Cl2　　B．NH3　　C．SO2　　D．CO2

(3)“侯氏制碱法”由我国化学工程专家侯德榜先生于1943年创立，是对“索尔维制碱法”的改进，将索尔维法制取碳酸钠与合成氨联合起来，大大提高了食盐的利用率，缩短了生产流程，减少了对环境的污染，至今仍为全世界广泛采用。

用如图所示装置可以模拟“加热碳酸氢钠制得纯碱”的过程。

当观察到B中出现浑浊时，停止加热，A中发生反应的化学方程式为______________。

【解析】(1)纯碱的化学式为Na2CO3。

(2)氯化钠溶液吸收两种气体，主要吸收NH3和CO2，NH3溶于水生成氨水，溶液显碱性易吸收CO2，最终形成碳酸氢钠和氯化铵。

(3)碳酸氢钠受热分解生成碳酸钠、水和二氧化碳，该反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。

答案：(1) Na2CO3　(2)B、D

(3) 2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑