新教材适用2024-2025学年高中化学第2章海水中的重要元素-钠和氯研究与实验1纯碱的生产历史学案新人教版必修第一册

探讨与试验1纯碱的生产历史【探讨目的】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。【材料阅读】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＋4C高温,Na2S＋4CO↑。③最终利用硫化钠与石灰石的反应生产碳酸钠：Na2S＋CaCO3=Na2CO3＋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，设备腐蚀严峻，产品质量不纯，原料利用不充分，价格较贵，所以在20世纪20年头被淘汰。2．索尔维制碱法1861年比利时工程师索尔维独创的纯碱制法，是以食盐(氯化钠)、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)、氨气为原料来制取纯碱。(1)制取原理与步骤①在饱和食盐水中先通入氨气，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↑、CaO＋H2O=Ca(OH)2。③氯化铵滤液与石灰乳混合加热：2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O，反应产生的氨气循环运用。④过滤、洗涤、煅烧碳酸氢钠晶体，得到纯碱产品：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O，反应产生的二氧化碳循环运用。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独创创建了联合制碱法，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气，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，而食盐的溶解度改变不大，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可循环运用：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。【分析探讨】1．依据所阅读资料，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？_氨碱法(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运用；制造步骤简洁，适合于大规模生产。侯氏制碱法与氨碱法相比较，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，削减了对环境的污染，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，思索侯氏制碱法的意义。_削减了对环境的污染，有助于环境爱护和生态文明建设，原料利用率高，产率高，降低了成本，削减了资源的奢侈和能源的消耗。__【结果与探讨】1．侯氏制碱法的反应原理能发生的缘由是什么？_碳酸氢钠的溶解度小，在此条件下可以生成沉淀，从而使反应发生。__2．从原材料的角度综合考虑，你认为制碱工厂可以与哪些工厂就近建设？_合成氨、石灰、水泥厂等。__3．侯氏制碱法中先通入氨气至饱和再通入二氧化碳的优点是什么？_氨气易溶于水，且溶于水后显碱性，有助于汲取二氧化碳，从而析出更多的碳酸氢钠。__跟踪训练1．下图是侯氏制碱法在试验室进行模拟试验的生产流程示意图，则下列叙述正确的是(C)A．A气体是CO2，B气体是NH3B．第Ⅲ步得到的晶体是Na2CO3·10H2OC．侯氏制碱法的工艺流程中应用了物质溶解度的差异D．第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶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(C)A．a先通入CO2，然后b通入NH3，c中放碱石灰B．b先通入NH3，然后a通入CO2，c中放碱石灰C．a先通入NH3，然后b通入CO2，c中放蘸有稀硫酸的脱脂棉D．b先通入CO2，然后a通入NH3，c中放蘸有稀硫酸的脱脂棉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_NH3__，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)索尔维制碱法除了得到纯碱外，还会产生一种废渣_CaCl2__。侯氏制碱法在此工艺上改进，不再运用碳酸钙制备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_NH4Cl__，此物质在农业上的用途是_作氮肥__。4．某化学爱好小组模拟“侯氏制碱法”制纯碱并进行后续试验。Ⅰ.制备纯碱：先以NaCl、NH3、CO2和水等为原料，用如图所示装置制取NaHCO3，然后再将NaHCO3制备成Na2CO3。(1)装置甲中反应的离子方程式为CaCO3＋2H＋=Ca2＋＋CO2↑＋H2O；装置乙的作用是_除去CO2中的HCl气体__，反应的化学方程式为NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑。(2)反应进行一段时间后，视察到装置丙中试剂瓶内溶液中有白色固体析出，经检验该白色固体是NaHCO3。装置丙中可得两种产物，分别是NaHCO3和另一种盐，装置丙中反应的化学方程式为NH3＋CO2＋H2O＋NaCl=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)用装置丙中产生的NaHCO3制取Na2CO3时，须要进行的试验操作有_过滤__、洗涤固体、_灼烧__，最终一步发生反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。Ⅱ.测定所得产品的组成和纯度(4)检验纯碱样品中是否混有NaHCO3，请选择下列装置设计试验，并完成下表：选择的装置(填编号)试验现象试验结论_A、B(或A、C或A、C、B)___B中澄清碳水变浑浊(或C中物质变蓝或C中物质变蓝，B中澄清石灰水变浑浊)__样品中含NaHCO3(5)测定该纯碱样品的纯度：称取m1g样品置于小烧杯中，加水溶解，滴加足量CaCl2溶液，将反应混合物过滤、洗涤、干燥、称量，得到固体的质量为m2g，则该纯碱样品的纯度为eq\f(106m2,m1)%。解析：(1)装置甲中碳酸钙与稀盐酸反应生成氯化钙、二氧化碳和水，反应的离子方程式是CaCO3＋2H＋=Ca2＋＋CO2↑＋H2O；装置乙的作用是用碳酸氢钠除去二氧化碳中的氯化氢，反应的化学方程式为NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑。(2)装置丙中氯化钠与二氧化碳、氨气反应可得两种产物，分别是NaHCO3和另一种盐，依据元素守恒，另一种盐是氯化铵，反应的化学方程式是NH3＋CO2＋H2O＋NaCl=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)用装置丙中产生的NaHCO3制取Na2CO3时，须要进行的试验操作有过滤、洗涤固体、灼烧，灼烧碳酸氢钠发生反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。(4)用装置A加热分解NaHCO3，用澄清石灰水检验是否有二氧化碳气体放出，选择装置B，若澄清石灰水变浑浊，则含有NaHCO3，或用无水CuSO4检验H2O，选择装置C。若白色固体变为蓝色，则含有NaHCO3；或先用无水CuSO4检验H2O，再用澄清石灰水检验CO2。(5)设样品中Na2CO3的质量