高中化学《5非金属元素5.3化工生产氯碱工业和联合制碱工业》121沪科课标教案课件教学设计

1
课题
纯碱的工业生产
上海市扬子中学
郑岩
2008.11.12
教学目的
知识与技能：
探究碳酸钠生产的相关化学原理
过程与方法
1.在用化学知识和方法解决实际问题的过程中提高科学素养
2.体验设计工业生产流程的基本思想方法
情感态度与价值观
1.在学习侯氏制碱法过程中激励爱国之情
2.在感受绿色化学原理中养成科学发展观
重点和难点
碳酸钠生产的相关化学原理
教学模式
引导—探究
教学流程
思考1
思考2
思考3
作
业
你如何辩证看待侯氏和索氏制碱技术？教学过程
引
言：他是谁？
索尔维
氨
思考1
化学史
化工生产原则
作业
总结
引言：存在与用途
交
流
思考2
思考3
2
图片展示：侯德榜
教师评述：让中国工业产品在世界舞台精彩亮相的重要功臣就是侯德榜，他用六年的时间摸索出了被欧洲国家封锁达七十年之久的索尔维法制碱技术，使中国永利碱厂成为当时亚洲最大的制碱企业。

并写成世界上第一部制碱专著。

纯碱有什么用？
图片展示：纯碱用途
图片展示：内蒙古鄂尔多斯合同查汗淖碱湖
茶卡盐湖
教
师：这种洁白如雪的物质就是纯碱。

著名的天然碱湖。

既然自然界中有天然碱，我们为什么还要工业生产呢？
问
题：纯碱在化学工业中的使用情况如何？纯碱是一种重要的化工原料。

食品，造纸，玻璃，医药，玻璃，肥皂，印染工业乃至人民日常生活无不需要他。

其中有近一半量的纯碱用
于玻璃行业…（显示纯碱产品的实物图片，用饼图、柱形图介绍纯碱供需情况）
过
渡：通过上述介绍，纯碱作为一种重要的化工原料，提取天然碱的方法并不能满足工业迅速发展的需要。

下面我们一起探究工业生产纯碱的原理。

讨
论：如果让你们设计，你们有哪些方法，直接反应得到纯碱？板
书：NaOH+CO2
；Na2O2（Na2O）+CO2；
NaHCO3+NaOH(
Ca(OH)2)；
NaHCO3→．．
教
师：请先看资料，纯碱工业史上产生了哪些方法。

显
示
思
考：这两种方法中，在原料的选择上有何特点呢？（充分利用自然资源）
为什么勒布朗法几乎完全被后来的方法所取代？（学生分析，
得出其作为工业生产所存在的缺点）
设
问：生产原理是整个生产过程的核心。

著名的索尔维法成功的奥秘在哪里呢？下面让我们一起来探讨。

阅读资料，它告诉我们什么信息？
教
师：索尔维制碱法的起始原料是价格低廉的：氯化钠和碳酸钙。

它们能直接发生NaCl+CaCO3→Na2CO3+CaCl2（板书）反应吗？(物料守恒的思想分析)
所以索尔维法中还需要氨为媒介，故索尔维又称氨碱法。

板
书：解析氨碱法生产纯碱的化学原理
纯碱工业的开端——勒布朗法
纯碱工业的第一次飞跃——索尔维法
1791年，法国化学家兼医生卢布兰
（Nicolas
Leblanc，1742—1806）
1861年，比利时人索尔维
（Ernest
Solvay，1838—1922）
原料：食盐、硫酸、煤炭、石灰石
原料：食盐、石灰石、氨
①用氯化钠与硫酸反应制硫酸钠：
2NaCl+H2SO4
Na2SO4+2HCl；
②用焦炭还原硫酸钠得硫化钠：
Na2SO4+4C
Na2S+4CO↑
③用硫化钠与石灰石反应制碳酸钠：
Na2S+CaCO3
Na2CO3+CaS
到1915年被索尔维法全面取代
原因是——耗酸量大、腐蚀严重；需要高温；均为固相反应使生产不连续；纯度不高等
自1863年投入生产，到1915年全面取代勒布朗法，并一直广泛采用至今
△
△
△
3
原料：氯化钠
碳酸钙
氨（媒介）
NaCl+CaCO3→Na2CO3+CaCl2
？
问题探讨：请同学们结合所学化学反应知识，进行探讨，这三种物质如何实现这种转化呢？
小结并显示：1.CaCO3→CaO＋CO2
2、NH3+CO2+H2O+NaCl→NaHCO3↓+NH4Cl
3、2NaHCO3→Na2CO3＋CO2↑+H2O
问
题：在索尔维法中，哪一步反应将是决定产品质量和产率的关键？(第二步)
这个反应是否符合科学原理?
教
师：这个反应好像并不符合复分解反应的条件，为什么可溶性盐——碳酸氢钠，可以从溶液中沉淀析出呢？
结
论：一定温度下，当溶液中离子浓度大于其饱和溶液中相关离子浓度时，将有结晶析出。

所以，
AgCl(难溶)
→AgI
(更难溶)。

问
题：盐和盐的复分解反应规律呢？
结
论：溶解度较大的盐可以转化为溶解度较小的盐，实质即使离子浓度降低。

思
考：已知20℃时，下列物质的溶解度S/
(g/100gH2O)
NaCl:35.9
Na2CO3:21.5
NaHCO3:9.6
NH4HCO3:21.7
NaHCO3析出的反应实质是什么？为什么不直接生成碳酸钠，而是生成中间产物碳酸氢钠？
板
书：Na+
+HCO3ˉ→NaHCO3↓
讨
论：应用复分解反应使NaHCO3从溶液中沉淀析出关键是得到较大浓度的Na+
,HCO3ˉ。

如何得到较大浓度的Na+
、HCO3ˉ呢？通入的气体有先后顺序吗？
教师引导：通常状况下，二氧化碳在单位体积水中溶解1体
积气体，达到平衡，碳酸氢根离
子浓度低。

在饱和氨水溶液中，CO2溶解度增大，提供大量的碳酸氢根离子。

（平衡移动原理）
化学史故事：1861年在水煤气厂工作的索尔维，在用氨盐水处理水煤气厂的二氧化碳时发现碳酸氢钠析出，从而发明了索尔维法。

所以，处处留心皆学问，关键是你有没有遇到问题时就去解决的决心。

讨
论：索尔维法中，最贵的原料是氨气，如何提高氨气的利用率？（碳酸钙分解供给CO2同时将生成CaO，将其溶于水形成消石灰。

它与另一产物NH4Cl作用，回收氨，并使之循环使用。

）
显
示：4、CaO+H2O→Ca(OH)2；2NH4Cl＋Ca(OH)2→CaCl2＋2NH3↑+2H2O
思
考：还有那些物质可以得到回收并循环使用呢？（部分CO2）根据上述量的关系，从理论上来说，是否需要随时补充氨气？CO2需要随时补充吗？
引导讨论：请你评价氨碱法的成功并被沿用至今的奥秘在哪里呢？
总
结：氨碱法优点：原料便宜，
NH3和CO2循环使用；产品纯度高，价格低廉；操作步骤简单，适合大规模连续生产。

分析讨论选择适合大规模生产的工业原理，应该考虑哪些问题？
显
示：化工生产的基本原则：
1原料经济性原则：原料来源广泛，原料利用率高过程少
2加强三废治理，坚持科学发展观
3生产规模大型化（联合生产、综合利用）
4
教师小结：化工生产不同于实验室反应，为了验证一个化学原理可以不惜任何代价，工业
生产必须遵守工业生产的基本原则。

就是——在尊重科学原理的基础上，着重考虑最大综合
经济效益。

研究一个生产过程，包括了生产原理、工艺流程设计、生产设备选择，它们都要
体现经济性生产原则和科学发展观。

教师评价：勒布朗法虽然被先进的科学技术取代，但在一定的时期里解决了燃眉之急。

科学技术在不断的发展完善的，索尔维法有何不足呢？
阅读资料：摘自侯得榜在1960年《制碱工学》中一段论述：“它（指索尔维法）也存在着严重的缺点。

首先是他所用的原料（食盐）太不经济，大厂的食盐利用率至多73-75%，小厂则不到70%，故盐有25—30%被损失掉。

这还不包括净化及处理淤泥的损失。

其次是蒸氨塔废液（主要成分是CaCl2）难以处理。

废液量甚大，大厂每生产1吨纯碱有9~10吨废液，小厂则有10~13吨，需要处理。

废液需要大片土地来堆积，废液堆积之地…成为不毛之丘…而且废液中氯化钙渗入地下,玷污水源…索尔维法还有第三个缺点，即盐中的Cl-未能完全利用,不符合原料综合利用的原则。

”
小
结：索尔维法的不足：
NaCl利用率低；(过滤出碳酸氢钠后的母液中还含有1/4钠离子,CaCl2中混有大量约30%NaCl)
副产品CaCl2废料毁占大量耕地，难以处理。

不符合绿色化学的思想。

教师小结：绿色化学是现代化学工业面临的一个新的课题，对化学家是一个严峻的考验。

坚持科学发展观，不断改进和发展科学技术，这是将是永恒的主题。

（重现工业生产流程）由于索氏的缺点，后来在德国、中国和日本出现了多种改进方法。

学生介绍：侯德榜
“科学是没有国界的，但科学家却有自己的祖国。

”
问
题：阅读练习1，归纳比较侯氏制减法与氨碱法异同。

总
结：今天我们一起探索了氨碱法化学原理，了解了纯碱工业发展的历史，体验科学技术不断发展完善的过程，同时体会了侯德榜等老一辈科学家为了民族工业发展，不顾西方国家的嘲讽，经过挫折和摸索，终于打破国外的垄断。

相信我们未来会掌握更先进的技术！
作
业：
联合制碱法是否体现了先进的绿色化工思想？你如何辩证看待侯氏和索氏制碱技术？
设计思路：
《三酸二碱》是在系统学习元素化合物知识基础上展开的。

通过本节内容的教学，在体验化学原理与生产实际，社会发展相结合的过程中，培养学以致用的能力，提高科学技术素养，并树立正确的世界观、价值观和科学发展观。

学生在学习本课前，已经具备了较全面的元素化学和化学反应等化学基础知识，也形成了较高层次的思维能力。

但是对工业生产问题了解有限，因此需要适当的引导和帮助，最终形成对生产实际系统而科学地认识和思考能力。

通过学生自主设计合成纯碱的反应，以及对勒布朗法的兴衰的评价，形成工业生产的基本思想原则，再从理论到实践，评价索尔维法成功的奥秘，并进一步创新发展产生侯氏制碱技术；运用所掌握的化学反应规律探讨以食盐和碳酸钙为原料，氨为媒介合成碳酸钠的过程，在模拟科学家思维过程中学会反思，评价，并获得成就感。

化学史也是一部思维史，了解化学的发展过程让学生学会化学家的分析思维方法，培养学生的创造能力和严谨的科学态度。

侯氏制碱法
5
碳酸钠用途非常广泛。

虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得碳酸钠，但仍不能满足工业生产的需要。

1862年，比利时人索尔维（Ernest
Solvay
1838—1922）发明了氨、二氧化碳和食盐饱和液共同作用制得碳酸氢钠方法，经分滤并煅烧分解，得到高纯度的碳酸钠，这就是有名的氨碱法，又称为索尔维法。

氨碱法产出的碳酸钠的质量，比天然碱和勒布朗法产的碱都好得多，因此，人们把它叫作“纯碱”。

此后，英、法、德、美等国相继建立了大规模生产纯碱的工厂，并组织了索尔维公会，对会员以外的国家实行技术封锁并限量生产以控制价格。

第一次世界大战期间，欧亚交通梗塞。

由于我国所需纯碱都
是从英国进口的，一时间，纯碱非常缺乏，一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。

1917年，爱国实业家范旭东在天津塘沽创办了永利碱业公司,决心打破洋人的垄断，生产出中国的纯碱。

他聘请正在美国留学的侯德榜先生出任总工程师。

1920年，侯德榜先生毅然回国任职。

他全身心地投入制碱工艺和设备的改进上，终于摸索出了索尔维法的各项生产技术。

1924年8月,塘沽碱厂正式投产。

1926年，中国生产的“红三角”牌纯碱在美国费城的万国博览会上获得金质奖章。

产品不但畅销国内，而且远销日本和东南亚。

针对索尔维法生产纯碱时食盐利用率低，制碱成本高，废液、废渣污染环境和难以处理等不足，侯德榜先生经过上千次试验，在1943年研究成功了联合制碱法。

这种方法把合成氨和纯碱两种产品联合生产，提高了食盐利用率，缩短了生产流程，减少了对环境的污染，降低了纯碱的成本。

联合制碱法很快为世界所采用。

由于侯德榜对制碱技术做出了重大贡献，所以人们把他所发明的联合制碱法称做“侯氏制碱法”。

他本人也荣获“中国工程学会化工贡献最大者奖”，并被聘为英国化学工业学会名誉会员，以及英国皇家学会和美国化学工程学会荣誉会员。

侯德榜先生对英、法、德、美等国垄断技术十分愤慨，将自己多年来研究制碱技术的心得写成《纯碱制造》一书，于1933年在美国出版，将保密达70年之久的索尔维法公诸于世，
为中外学者所钦佩。

该书被誉为首创的制碱名著，为祖国争得了荣誉。

附：
“氯化钙的用途”（1）氯化钙在化学工业的无机化工原料及硫酸根脱除剂，褐藻酸钠的凝固剂。

（2）氯化钙在制冷工业用于制冷，冷却溶液及工艺中气体和液体干燥介质，用于空调系统。

（3）氯化钙在建筑行业早强剂，提高混凝土强度，生产涂料的凝固剂。

（4）氯化钙在造纸工业添加剂及废纸张脱墨。

（5)
黑色冶金工业作氯化剂和添加剂。

（6）氯化钙在橡胶行业乳胶凝结剂。

（7）石油钻探，钻井工作液，完井液，石油化工脱水液（8）防除尘埃，煤尘，矿尘。

（9）道路、高速公路、停车场、机场、高尔夫球场冬季除雪。

（10）用于防治小麦、苹果、白菜等腐烂及食品防腐剂。

（11）用于防潮用干燥剂。