2024届高考化学一轮复习专题3第11讲纯碱的制备与实验测定能力学案

这是一份2024届高考化学一轮复习专题3第11讲纯碱的制备与实验测定能力学案，共13页。
侯氏制碱法的原理及问题分析
1．工艺流程
2．反应原理
(1)产生NaHCO3的反应：NH3＋NaCl＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。
(2)产生Na2CO3的反应：2NaHCO3eq \(=====,\s\up9(△))Na2CO3＋CO2↑＋H2O。
3．绿色思想
循环使用的物质为CO2、饱和食盐水。
[知识链接] 由NaOH制备纯净Na2CO3的方法
将NaOH分为两等份，向其中一份通入过量CO2，将所得溶液再与另一份NaOH混合。NaOH＋CO2===NaHCO3，NaHCO3＋NaOH===Na2CO3＋H2O。
1．如图是侯氏制碱法在实验室进行模拟实验的生产流程示意图，则下列叙述正确的是( )
A．通入A气体是为了使溶液呈酸性
B．图中晶体和纯碱的溶液可用作食用碱或工业用碱
C．第Ⅲ步操作中析出晶体，是因为该晶体在氯化铵溶液中溶解度较大
D．第Ⅳ步操作得到的物质可用来治疗胃酸过多
B [通入的气体A为NH3，向氨化的饱和食盐水中通入CO2气体析出碳酸氢钠，气体B为CO2。A.气体A为NH3，使溶液呈碱性，增大CO2的溶解度，A错误；B.图中晶体是碳酸氢钠，纯碱是碳酸钠，可用作食用碱或工业用碱，B正确；C.第Ⅲ步操作中析出晶体，因为碳酸氢钠的溶解度较小，所以以晶体形式析出，C错误；D.第Ⅳ步得到的是碳酸钠，碳酸钠的碱性较强，会损伤胃黏膜，不能用于治疗胃酸过多，D错误。]
2．1943年，我国化学家侯德榜发明了侯氏制碱法，又称联合制碱法，为我国的化学工业发展和技术创新做出了重要贡献。其部分工艺流程如图，下列说法不正确的是( )
反应①的化学方程式为NaCl＋CO2＋NH3＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。
A．反应①离子方程式为CO2＋NH3＋H2O===NHeq \\al(＋,4)＋HCOeq \\al(－,3)
B．反应②属于分解反应
C．该工艺利用了不同物质溶解度的差异
D．纯碱指的是Na2CO3
A [A.碳酸氢钠为固体，应保留化学式，正确的离子方程式为Na＋＋CO2＋NH3＋H2O===NaHCO3↓＋NHeq \\al(＋,4)，故A错误；B.反应②为碳酸氢钠分解生成碳酸钠、二氧化碳和水，属于分解反应，故B正确；C.侯氏制碱法是将CO2、NH3通入饱和NaCl溶液中，发生反应NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓，其中NaHCO3溶解度较小，从溶液中析出NaHCO3，该工艺利用了不同物质溶解度的差异，故C正确；D.纯碱是Na2CO3的俗称，故D正确。]
Na2CO3的质量分数的实验测定
1．气体法
(1)测定原理：Na2CO3＋H2SO4===Na2SO4＋CO2↑＋H2O,2NaHCO3＋H2SO4===Na2SO4＋2CO2↑＋2H2O，通过测量CO2的质量或体积确定Na2CO3、NaHCO3的质量。
(2)实验操作：向m g纯碱(含NaHCO3)样品中加入足量的稀硫酸，准确测量产生CO2气体的体积为V mL(已折算为标准状况)或CO2的质量为a g。
(3)计算：列方程组求出m(Na2CO3)和m(NaHCO3)。
2．沉淀法
(1)测定原理：Na2CO3＋BaCl2===BaCO3↓＋2NaCl。依据BaCO3沉淀的质量，确定Na2CO3的物质的量，进而确定纯碱中Na2CO3的含量。
(2)实验操作：先将m g纯碱样品溶于水配成溶液，向溶液中加入过量的BaCl2溶液，经过滤、洗涤、干燥得BaCO3沉淀的质量为n g。
(3)计算：纯度＝eq \f(\f(n,197)×106,m)×100%。
甲溶液是Na2CO3和NaOH[c(NaOH)＝0.5 ml·L－1]的混合溶液，乙溶液是NH4Cl和HCl的混合溶液，已知乙溶液中c(NHeq \\al(＋,4))＝0.40 ml·L－1。取5份体积均为100 mL的甲溶液，向其中缓慢加入不同体积的乙溶液，微热并充分反应后，测得各组产生的气体体积如表所示：
已知：①NHeq \\al(＋ ,4)＋OH－eq \(=====,\s\up9(△))NH3↑＋H2O；
②假设生成的气体全部逸出；
③不考虑溶液混合时体积的变化和微热时盐酸的挥发；
④忽略水的电离及与水发生的反应，气体均换算成标准状况下。
回答下列问题：
(1)甲溶液中所含的金属阳离子共有________种；在100 mL 0.5 ml·L－1的NaOH溶液中，n(NaOH)＝________ml。
(2)在实验Ⅰ中，
①反应后所得的溶液中溶质有______(填化学式)。
②生成的气体为________(填“CO2”“NH3”或“CO2和NH3”)。
(3)在实验Ⅱ中，无气体生成的原因为_______________________________
_____________________________________________(用简要的文字解释)。
(4)在实验Ⅳ中，
①生成气体的离子方程式为______________________________________。
②当反应结束后，c(Cl－)＝________ml·L－1。
(5)由题述实验可得出，50 mL乙溶液中所含的阳离子总数为________NA(不考虑NHeq \\al( ＋ ,4)时与水的反应及水电离出的H＋)。
[解析] (1)Na2CO3和NaOH混合溶液金属阳离子为Na＋，100 mL 0.5
ml·L－1的NaOH溶液含neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NaOH))＝cV＝0.1 L×0.5 ml·L－1＝0.05 ml；(2)由表中数据分析知实验Ⅰ中HCl和NaOH完全反应，部分氯化铵和氢氧化钠反应，碳酸钠未参加反应，则甲溶液和乙溶液反应后的溶质为Na2CO3、NaCl、NH4Cl；(3)实验Ⅱ，甲溶液中有Na2CO3为0.05 ml、NaOH为0.05 ml,100 mL乙溶液中含HCl为0.8 ml·L－1× 0.1 L＝0.08 ml，氢氧化钠消耗HCl 0.05 ml，剩余HCl 0.03 ml和0.05 ml Na2CO3反应，只有部分碳酸钠转化为碳酸氢钠，没有气体生成。(4)在实验Ⅳ中生成气体的离子方程式为COeq \\al(2－,3)＋2H＋===CO2↑＋H2O，前面已求得乙溶液中盐酸浓度为0.8 ml·L－1，则200 mL乙溶液中含HCl 0.2 L×0.8 ml·L－1＝0.16 ml，含NH4Cl 0.2 L×0.40 ml·L－1＝0.08 ml，根据氯原子守恒反应后n(Cl－)＝0.16 ml＋0.08 ml＝0.24 ml，ceq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(Cl－))＝eq \f(0.24 ml,0.3 L)＝0.8 ml·L－1；(5)乙溶液是NH4Cl和HCl的混合溶液，已知乙溶液中c(NHeq \\al(＋,4))＝0.40 ml·L－1，已求得盐酸浓度为0.8 ml·L－1,50 mL乙溶液中所含的阳离子n＝neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH\\al(＋,4)))＋neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H＋))＝0.40 ml·L－1×0.05 L＋0.8 ml·L－1×0.05 L＝0.06 ml，则所含的阳离子数为0.06 NA。
[答案] (1)1 0.05 (2)Na2CO3、NaCl、NH4Cl NH3 (3)氯化铵不参加反应，氯化氢和氢氧化钠反应后， HCl物质的量小于碳酸钠物质的量，只有部分碳酸钠和氯化氢反应生成碳酸氢钠，没有气体生成
(4)COeq \\al(2－,3)＋2H＋===CO2↑＋H2O 0.8 (5)0.06
(2021·河北选择性考试，T14节选)化工专家侯德榜发明的侯氏制碱法为我国纯碱工业和国民经济发展做出了重要贡献，某化学兴趣小组在实验室中模拟并改进侯氏制碱法制备NaHCO3，进一步处理得到产品Na2CO3和NH4Cl。实验流程如图：
回答下列问题：
(1)从A～E中选择合适的仪器制备NaHCO3，正确的连接顺序是________________(按气流方向，用小写字母表示)。为使A中分液漏斗内的稀盐酸顺利滴下，可将分液漏斗上部的玻璃塞打开或_________________________
___________________________________________________________________。
A. B.
C. D. E.
(2)B中使用雾化装置的优点是______________________________________
_______________________________________________________________。
(3)生成NaHCO3的总反应的化学方程式为__________________________
______________________________________________________________。
(4)反应完成后，将B中U形管内的混合物处理得到固体NaHCO3和滤液：
①对固体NaHCO3充分加热，产生的气体先通过足量浓硫酸，再通过足量Na2O2，Na2O2增重0.14 g，则固体NaHCO3的质量为________ g。
②向滤液中加入NaCl粉末，存在NaCl(s)＋NH4Cl(aq)―→NaCl(aq)＋NH4Cl(s)过程。为使NH4Cl沉淀充分析出并分离，根据NaCl和NH4Cl溶解度曲线，需采用的操作为________、______________、洗涤、干燥。
[解析] (1)制备NaHCO3的具体过程为先制备CO2，再除去杂质HCl，然后将纯净的CO2通入饱和氨盐水中制得NaHCO3，最后用NaOH溶液处理多余的CO2，所以装置的连接顺序为aefbcgh。分液漏斗使用前需要让其与大气连通，否则液体无法滴落，所以为使A中分液漏斗内的稀盐酸顺利滴下，需要打开分液漏斗上部的玻璃塞，或者将分液漏斗上部玻璃塞上的凹槽与分液漏斗上端的小孔对齐。(2)雾化装置可以增大接触面积，使饱和氨盐水与CO2充分接触，使反应更充分。(3)生成NaHCO3的总反应的化学方程式为CO2＋NH3·H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl。(4)①1 ml CO2与足量Na2O2反应，最终Na2O2增重的质量相当于1 ml CO的质量，假设固体NaHCO3的质量为x g，可列如下关系式：
2NaHCO3～CO2～Na2O2～CO
2×84 28
x g 0.14 g
则eq \f(2×84,x g)＝eq \f(28,0.14 g)，解得x＝0.84。②根据题图中NaCl和NH4Cl的溶解度曲线可知，NH4Cl的溶解度随温度的升高变化较大，而NaCl的溶解度随温度的升高变化不大，为使NH4Cl沉淀充分析出并分离，需采用的操作为降温结晶、过滤、洗涤、干燥。
[答案] (1)aefbcgh 将分液漏斗上部玻璃塞上的凹槽与分液漏斗上端的小孔对齐
(2)增大接触面积，使反应更充分
(3)CO2＋NH3·H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl
(4)①0.84 ②降温结晶 过滤
为了测定NaCl、Na2CO3·10H2O和NaHCO3的混合物中各组分的含量，某同学设计如下实验：取一定质量的混合物，通过测量反应前后②和③装置质量的变化，测定该混合物中各组分的质量分数。
请回答下列问题
(1)①②③中可以依次加入的物质分别是________、________、________。
(2)硬质玻璃管加热之前，应进行的操作为______________________，目的是________________。
(3)样品加热时发生反应的化学方程式为_____________________________
_______________________________________________________________。
(4)停止加热后，继续通入空气的目的是_____________________________
_______________________________________________________________。
(5)球形干燥管中碱石灰的作用是__________________________________
______________________________________________________________。
[答案] (1)碱石灰 CaCl2 碱石灰
(2)关闭b，打开a，缓缓通入空气 排除装置中的CO2和H2O(g)
(3)Na2CO3·10H2Oeq \(=====,\s\up9(△))Na2CO3＋10H2O，
2NaHCO3eq \(=====,\s\up9(△))Na2CO3＋CO2↑＋H2O
(4)赶出生成的CO2和H2O(g)
(5)防止外界空气中的CO2、H2O(g)进入装置③
课时分层作业(十一)
纯碱的制备与实验测定
1．侯德榜是我国杰出的化学家，“侯氏制碱法”的创始人。以下是在实验室模拟“侯氏制碱法”生产流程的示意图：
eq \x(\a\al(气体A的,饱和溶液))eq \(――――→,\s\up9(Ⅰ),\s\d8(加入食盐))eq \x(\a\al(A与食盐的,饱和溶液))eq \(―――――――→,\s\up9(Ⅱ),\s\d8(通入足量气体B))eq \x(悬浊液)eq \(――→,\s\up9(Ⅲ),\s\d8(过滤))eq \x(晶体)eq \(――→,\s\up9(Ⅳ),\s\d8( ))eq \x(纯碱)
则下列叙述错误的是( )
A．A气体是NH3，B气体是CO2
B．侯氏制碱法的工艺流程中应用了物质溶解度的差异
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步操作是将晶体溶于水后加热、蒸发、结晶
D [利用NH3极易溶于水，且水溶液显碱性，可以提高CO2的吸收，因此先通NH3后通CO2，A正确；NaHCO3的溶解度小于Na2CO3，利用了溶解度的差异，B正确；操作Ⅲ是过滤，因此用到玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒，C正确；晶体是NaHCO3，利用NaHCO3的不稳定性，2NaHCO3eq \(=====,\s\up9(△))Na2CO3＋CO2↑＋H2O，D错误。]
2．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．a通入CO2，然后b通入NH3，c中放碱石灰
B．b通入NH3，然后a通入CO2，c中放碱石灰
C．a通入NH3，然后b通入CO2，c中放蘸稀硫酸的脱脂棉
D．b通入CO2，然后a通入NH3，c中放蘸稀硫酸的脱脂棉
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，所以a通入NH3，然后b通入CO2，考虑NH3的尾气处理所以选择放蘸稀硫酸的脱脂棉，即C选项正确。]
3．(2022·盐城模拟)过碳酸钠(2Na2CO3·3H2O2)，俗名固体双氧水，具有Na2CO3和H2O2的双重性质，可用作无毒漂白剂和供氧剂。一种利用双氧水和纯碱在稳定剂作用下制备过碳酸钠的工艺流程如图所示。已知：2Na2CO3＋3H2O2eq \(=======,\s\up9(稳定剂))2Na2CO3·3H2O2
下列说法不正确的是( )
A．FeCl3溶液可加速过碳酸钠的失效
B．加入NaCl的作用是降低2Na2CO3·3H2O2的溶解度，便于析出更多晶体
C．生产过碳酸钠的流程中遗漏了晶体的洗涤步骤，导致产品纯度降低
D．该生产流程中可循环使用的物质是CO2和NH4Cl
D [过碳酸钠具有碳酸钠和过氧化氢的双重性质，三氯化铁溶液既能与碳酸钠反应，又能作过氧化氢分解的催化剂，因此三氯化铁溶液能加速过碳酸钠失效，A项正确；根据溶解结晶的平衡分析，加入NaCl增大了钠离子浓度，溶解结晶平衡正向移动，可析出更多晶体，B项正确；晶体表面总是会吸附一定量溶液中的杂质离子，若不洗涤，将导致产品纯度降低，C项正确；在反应②煅烧这一步产生的CO2可用于反应①，但反应③的产物NH4Cl并不能循环使用，D项错误。]
4．钠是一种非常活泼、具有广泛应用的金属。请回答：(1)将一小块金属钠投入水中，发生反应的离子方程式是____________________________________
___________________________________________________________________；
可观察到的实验现象是________(填字母)。
a．钠沉到水底 b．钠熔成小球 c．小球四处游动 d．有嘶嘶声
(2)钠在空气中的燃烧产物(Na2O2)可用于呼吸面具或潜水艇中氧气的来源，11.6 g CO2和H2O的混合物与足量Na2O2充分反应后，固体质量增加了3.6 g，则生成标准状况下O2的体积为________L；原混合气体的中CO2和H2O的分子数比为________。
(3)下列实验方案中，不能测定Na2CO3和NaHCO3的混合物中Na2CO3质量分数的是________(填字母)。
A．取a g混合物充分加热，质量减少b g
B．取a g混合物与足量NaOH溶液充分反应，得到b g溶液
C．取a g混合物与足量稀盐酸充分反应，加热、蒸干、灼烧，得到b g固体
D．取a g混合物与足量稀硫酸反应，逸出气体经干燥后用碱石灰吸收，质量增加b g
[解析] (1)Na与水反应的离子方程式为2Na＋2H2O===2Na＋＋2OH－＋H2↑；a.钠的密度比水小，放入水中后会浮在水面，a错误；b.钠与水反应过程中放出大量的热，因为钠的熔点低，所以钠熔化成小球，b正确；c.钠反应时产生H2导致钠受力不均而四处游动，c正确；钠小球四处游动并产生氢气发出嘶嘶声，d正确。(2)11.6 g CO2和H2O的混合物与足量Na2O2充分反应，化学方程式为2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2和2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑，固体质量只增加了3.6 g，是因为有O2放出，可知O2质量为meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(O2))＝11.6 g－3.6 g＝8 g，其物质的量为neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(O2))＝eq \f(m,M)＝eq \f(8 g,32 g·ml－1)＝0.25 ml，标准状况下O2的体积V＝neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(O2))Vm＝0.25 ml×22.4 L·ml－1＝5.6 L；设CO2的物质的量为x，H2O的物质的量为y，根据方程式可知与Na2O2反应生成的O2的物质的量分别为eq \f(x,2)和eq \f(y,2)，因为生成O2的物质的量为0.25 ml，故eq \f(x,2)＋eq \f(y,2)＝0.25 ml，又因为CO2和H2O的混合物的质量为11.6 g，故44 g·ml－1x＋18 g·ml－1y＝11.6 g，解得x＝0.1 ml，y＝0.4 ml，由公式n＝eq \f(N,NA)可知物质的量之比等于粒子个数之比，所以原混合气体的中CO2和H2O的分子数比为1∶4。(3)A.可利用固体的质量差计算NaHCO3的质量，再计算Na2CO3的质量，能测定出Na2CO3和NaHCO3的混合物中Na2CO3质量分数，A不符合题意；B.a、b均为混合物的质量，不能测定出Na2CO3和NaHCO3的混合物中Na2CO3质量分数，B符合题意；C.蒸干得到b g固体为NaCl，可由混合物的质量、NaCl的质量列二元一次方程计算Na2CO3的质量，能测定出Na2CO3和NaHCO3的混合物中Na2CO3质量分数，C不符合题意；D.b g为CO2的质量，可由混合物的质量、CO2的质量列二元一次方程计算Na2CO3的质量，能测定出Na2CO3和NaHCO3的混合物中Na2CO3质量分数，D不符合题意。
[答案] (1)2Na＋2H2O===2Na＋＋2OH－＋H2↑ bcd (2)5.6 1∶4 (3)B实验序号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
乙溶液体积/mL
50
100
150
200
250
气体体积/mL
224
0
448
1 120
1 120