化学课件微项目

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1.碳酸钠和碳酸氢钠的物理性质必备知识·素养奠基化学式学名俗名颜色状态溶解度比较应用NaHCO3_________小苏打细小的_________较___作发酵粉、胃药Na2CO3_______苏打、__________粉末较___制玻璃、造纸碳酸氢钠白色晶体小碳酸钠纯碱白色大2.碳酸钠和碳酸氢钠之间的相互转化涉及反应:________________________。Na2CO3+H2O+CO2====2NaHCO33.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_________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====NH4HCO3②NH4HCO3+NaCl====______________③2NaHCO3(加热)====_______________二氧化碳NH4Cl+NaHCO3↓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)【情境·思考】[背景材料]【思考交流】(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

+H+====,+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

的方法加以证明。关键能力·素养形成项目活动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。索尔维制碱法在世界上获得迅速发展,到20世纪20年代,已完全取代吕布兰制碱法。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?【活动探究】一、实验室模拟索尔维制碱法1.实验装置根据以上图示回答下列问题:(1)仪器A的名称:分液漏斗。(2)锥形瓶中发生反应的化学方程式为CaCO3+H2SO4====CaSO4+CO2↑+H2O。2.实验现象(1)图示:(2)表述:通入CO2后,试管中一开始呈现澄清状态,15min之后逐渐有沉淀析出,随后随着通入CO2时间的变长,溶液最终完全变浑浊。3.理论解释二、索尔维制碱法基本工艺流程【思考讨论】(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。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+++H2O+CO22NaHCO3,当增加Na+和

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?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

的浓度,使NaHCO3析出。【探究总结】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,2NaHCO3

Na2CO3+CO2↑+H2O高温====△====【迁移应用】1.“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α-Fe催化剂的主要成分是FeO和Fe2O3,若某α-Fe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α-Fe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2.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:表一化合物Na2CO3NaHCO3NaCl质量(kg)814.8400.397.3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)。化合物Na2CO3NaHCO3NaCl质量(kg)137.7428.897.3【解析】根据表一和表二信息,反应的Na2CO3质量为814.8kg-137.7kg=677.1kg。Na2CO3+H2O+CO2====2NaHCO3106

168677.1kg m(NaHCO3)m(NaHCO3)=1073.1kg。因此析出NaHCO3晶体的质量为1073.1kg+400.3kg-428.8kg=1044.6kg。答案:1044.6kg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?【活动探究】【产生背景】1.历史原因:制碱厂由海边迁往四川,生产成本增加。2.技术因素:索尔维制碱法的食盐利用率偏低,成本增加。【探究过程】1.索尔维制碱法原料利用率偏低的原因由于索尔维制碱法母液没有循环使用,母液中仍含有大量的铵根离子和氯离子,以及较多的Na+和

。2.改进的主要结果(1)循环利用母液,充分利用产品构成组分Na+和

。(2)利用沉淀溶解平衡的原理,回收氯化铵。【结论总结】联合制碱法与氨碱法比较,其最大的优点是使食盐的利用率提高到98%,应用同量的食盐比氨碱法生产更多的纯碱。另外它综合利用了氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子,同时,生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵。将氨厂的废气二氧化碳,转变为碱厂的主要原料来制取纯碱,这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑;将碱厂的无用的成分氯离子(Cl-)来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨,制取氮肥氯化铵。从而不再生成没有多大用处,又难于处理的氯化钙,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。【思考讨论】(1)利用平衡思想解释氯化铵的析出过程。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?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。【探究总结】【迁移应用】1.“NaCl+CO2+NH3+H2O====NaHCO3↓+NH4Cl”是著名的“侯氏制碱法”的重要反应。下面是4位同学对该反应涉及的有关知识发表的部分见解。其中不正确的是 (

)【解析】选C。该反应的机理是CO2+NH3+H2O====NH4HCO3、NaCl+NH4HCO3====NaHCO3↓+NH4Cl,NaHCO3的溶解度相对较小,A项正确;纯碱是Na2CO3,B项正确;析出NaHCO3后的溶液仍是NaHCO3的饱和溶液,C项错误;NH4Cl是一种氮肥,D项正确。2.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CO2D.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。3.Na2CO3的制取方法及综合实验探究。(1)我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺,其生产流程可简要表示如下:①往饱和食盐水中依次通入足量的NH3、CO2(氨碱法),而不先通CO2再通NH3的原因是什么?②从生产流程图可知,可循环利用的物质是什么?③写出沉淀池中、煅烧炉中反应的化学方程式有哪些?(2)如何用CO2和50mL2mol·L-1

NaOH溶液制取50mL1mol·L-1的Na2CO3溶液?①写出简要的实验步骤。②写出有关反应的化学方程式。【解析】(1)①氨气极易溶于水,而二氧化碳微溶于水,先通入氨气,溶液呈碱性,再通入二氧化碳气体可以更多地转化为

;②在联合制碱法中二氧化碳是反应的原料同时也是反应的副产物,可以循环利用;③在沉淀池中氨气、二氧化碳、水和氯化钠发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵,反应方程式为NH3+H2O+CO2+NaCl====NH4Cl+NaHCO3↓;碳酸氢钠不稳定,在加热条件下能分解生成碳酸钠、水和二氧化碳,反应方程式为2NaHCO3

Na2CO3+H2O+CO2↑。△====(2)①由于CO2气体在通入NaOH溶液过程中极易生成NaHCO3,且无明显现象,而NaHCO3+NaOH====Na2CO3+H2O,故可以取25mL

NaOH溶液通入过量的CO2气体使其转化为NaHCO3,在排出二氧化碳后,然后在得到的溶液中加入另一半(25mL)NaOH溶液,使溶液充分混合即得纯的碳酸钠;②根据实验步骤可知,在NaOH溶液中通入过量的CO2气体时发生反应:NaOH+CO2====NaHCO3;得到的溶液中加入另一半(25mL)NaOH溶液时,发生反应:NaHCO3+NaOH====Na2CO3+H2O。答案:(1)①由于CO2在NaCl溶液中的溶解度很小,先通入NH3使食盐水呈碱性,能够吸收大量CO2气体,产生较高浓度的

,使平衡2Na+++H2O+CO2

2NaHCO3向正向移动,从而析出NaHCO3晶体。②食盐水、CO2③NH3+CO2+H2O+NaCl====NaHCO3↓+NH4Cl、2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O△====(2)①将50mL2mol·L-1

NaOH溶液等分成两份,在一份NaOH溶液中通入过量的CO2气体,再将两溶液混合,即得50mL1mol·L-1的Na2CO3溶液。②NaOH+CO2====NaHCO3、NaHCO3+NaOH====Na2CO3+H2O课堂检测·素养达标1.(2020·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NH3B.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1molNa2CO3,再补充的物质及其物质的量分别是2molNaCl和1molCO2【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1molNa2CO3,再补充2molNaCl和1molCO2。△====2.(2020·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:则下列叙述错误的是 (

)A.A气体是NH3,B气体是CO2B.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。3.(2020·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

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

的浓度,可以使NH4Cl更多地析出;同时溶液中氨气和

反应,反应的化学方程式是

+NH3====+,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【补偿训练】(2020·大连高二检测)我国制碱工业的先驱—侯德榜先生,1941年发明了著名的侯氏制碱法,其核心反应原理可用如下化学方程式表示:NH3+CO2+NaCl+H2O====NH4Cl+NaHCO3(晶体),依据此原理,欲制得碳酸氢钠晶体,某校学生设计了如下实验装置,其中B装置中的试管内是溶有氨和氯化钠的溶液,且二者均已达到饱和。(1)A装置中所发生反应的离子方程式为_________________________。

C装置中稀硫酸的作用为_____________________________________。

(2)下表中所列出的是相关物质在不同温度下的溶解度数据(g/100g水)参照表中数据,请分析B装置中使用冰水的目的是

_________________________________________________________________________________。

(3)该校学生在检查完此套装置气密性后进行实验,结果没有得到碳酸氢钠晶体,指导教师指出应在

____________装置之间(填写字母)连接一个盛有__________的洗气装置,其作用是______________________________。

(4)若该校学生进行实验时,所用饱和食盐水中含NaCl的质量为5.85g,实验后得到干燥的NaHCO3晶体的质量为5.04g,则NaHCO3的产率为__________。

【解析】(1)A装置是制取二氧化碳气体的装置,是碳酸钙和盐酸发生反应生成氯化钙、水和二氧化碳;反应的离子方程式为CaCO3+2H+====Ca2++CO2↑+H2O;C装置稀硫酸是尾气处理装置吸收过量的氨气,防止污染环境;(2)B装置中的试管内是溶有氨和氯化钠的饱和溶液,通入二氧化碳气体会发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵,依据图示分析可知温度越低,碳酸氢钠的溶解度越小,所以温度越低越有利于碳酸氢钠的晶体析出;(3)二氧化碳气体中含有氯化氢气体,通入后和氨气反应不能生成碳酸氢钠,所以得不到碳酸氢钠晶体,所以需要加一个洗气装置,用饱和碳酸氢钠溶液除去二氧化碳中的氯化氢气体;(4)饱和食盐水中含NaCl的质量为5.85g,依据化学方程式计算NH3+CO2+NaCl+H2O====NH4Cl+NaHCO3(晶体),理论得到碳酸氢钠质量为8.4g,实验后得到干燥的NaHCO3晶体的质量为5.04g,则碳酸氢钠的产率=×100%=60%。答案:(1)CaCO3+2H+====Ca2++CO2↑+H2O吸收从B装置中的试管内逸出的氨气,减少对环境的污染(2)温度越低,碳酸氢钠的溶解度越小,便于析出(3)A与B饱和NaHCO3溶液(其他合理答案均可)除去CO2中混有的HCl气体(4)60%课题任务:借助pH传感器,创新实验,揭示盐类水解的原理【情境创设】Na2CO3俗称纯碱,国际贸易中又名苏打或碱灰,是一种重要的化工原料,主要用于平板玻璃、玻璃制品和陶瓷釉的生产。还广泛用于生活洗涤、酸类中和和食品加工等。早在十八世纪,它就和硫酸、盐酸、硝酸、烧碱并列为基础化工原料——三酸两碱之一。在日常生活中,苏打也有很多用途,比如它可以直接作为洗涤剂使用。课题探究·素养提升【素养解读】1.素养要求:(1)宏观辨识与微观探析:能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。(2)科学探究与创新意识:能从问题和假设出发,依据探究目的,设计探究方案;勤于实践,善于合作,敢于质疑,勇于创新。2.素养目标:运用pH传感器捕捉平衡移动过程中pH的细微变化,直观地感受盐类水解的本质。【素养探究】【探究一】探究碳酸钠溶液呈碱性的原因在烧杯中加入50mL0.01mol·L-1的Na2CO3溶液,插入pH传感器。打开数字采集器并采集pH数据,打开磁力搅拌器,直到电脑屏幕显示的pH数稳定。实验1:先慢慢加入Na2CO3粉末,再慢慢加入NaHCO3粉末,实验结果见图1。实验2:先慢慢加入NaHCO3粉末,再慢慢加入Na2CO3粉末,实验结果见图2。(1)Na2CO3溶液呈碱性的原因是什么?