2021_2022学年新教材高中化学第3章物质在水溶液中的行为微项目揭秘索尔维制碱法和侯氏制碱法__

“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？
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？
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.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====_N_H_4_C_l_+_N_a_H_C_O_3↓__ ③2NaHCO3(加热)====_N_a_2C_O_3_+_H_2_O_+_C_O_2↑__ 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)
ห้องสมุดไป่ตู้表一
化合物 质量(kg)
Na2CO3 814.8
NaHCO3 400.3
NaCl 97.3
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
化合物 质量(kg)
Na2CO3 137.7
NaHCO3 428.8
NaCl 97.3
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
(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 CO23－ ＋H＋===HCO－ 3 ，HCO3－ ＋H＋===H2O＋CO2↑。
【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。
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，2NaHCO3 Na2CO3＋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。
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。
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。
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
必备知识·自主学习
1．碳酸钠和碳酸氢钠的物理性质
碳酸氢钠 碳酸钠
小 白色晶体
纯碱 白色
大
2.碳酸钠和碳酸氢钠之间的相互转化
Na2CO3
NaHCO3
涉及反应:_N_a_2C_O_3_+_H_2_O_+_C_O_2_=_==__=_2_N_a_H_C_O_3 。
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
(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
(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 CO23－ 的方法加以证明。
(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 HCO3－ 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， CaCO3 CaO＋CO2↑， 2NH4Cl＋CaO===2NH3↑＋CaCl2＋H2O， 2NaHCO3 Na2CO3＋CO2↑＋H2O
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＋＋CO23－ ＋H2O＋CO2 2NaHCO3，当增加 Na＋和 CO23－ 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。
【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：
【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。
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：
【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：1 044.6 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。