2022年高中化学 走进化学工业（第5课时）《纯碱的生产》三案一课学案 新人教版选修2

2022年高中化学 走进化学工业（第5课时）纯碱的生产三案一课学案 新人教版选修2【学习目标】1.了解索尔维制碱法和侯氏制碱法的化学反应原理、主要原料和生产过程。2.了解纯碱的丰要性质和用途。3.了解纯碱生产对环境的影响及解决方法。4.通过对索尔维制碱法和侯氏制碱法的对比，提高分析与解决问题的能力。【重点难点】掌握路布兰法索尔维法联合制碱法(侯氏制碱)的基本原理。课前预习【情景材料】纯碱制造一书于1933年在纽约列入美国化学会丛书出版。这部化工巨著第一次彻底公开了索尔维法制碱的秘密，被世界各国化工界公认为制碱工业的权威专著，同时被相继译成多种文字出版，对世界制碱工业的发展起了重要作用。美国的威尔逊教授称这本书是“中国化学家对世界文明所作的重大贡献”。侯先生奉献了毕生的精力制备纯碱碳酸钠，为什么要制备碳酸钠？它到底有什么重要用途呢？那现代工业上是怎样制备的呢？【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、纯碱及其用途碳酸钠的俗名叫 ，可用来制 、 、 、 和 ，碳酸钠作为原料可用来生产 的化合物，还大量应用于 中，我国素有“ ”之称。二、路布兰制碱法1原料： 、 、 、 。2生产原理路布兰制碱法的生产原理用化学反应方程式表示为：(1)生成Na2SO4： 。(2)生成Na2CO3： 。(3)缺点：路布兰制碱法生产纯碱具有 ， 、 等缺点。三、氨碱法生产纯碱1.原料氨碱法是以 和 为原料生产碳酸钠的过程，但因二者不能自发进行反应，故而实际上，索尔维发明的氨碱法是以 、 和 为原料，通过一系列反应来生产碳酸钠。2.生产原理氨碱法是由比利时人 发明的，所以也称为 法，其生产原理用化学方程式表示为： ， ，。四、联合制碱法1.原料联合制碱法，即将 与 联合生产的改进工艺，原料为 、 和 ，其中 和 来自于合成氨。2.反应原理联合制碱法的主要化学反应方程式是： ， 。预习内容答案一、纯碱 玻璃、制皂、造纸、纺织 漂染 钠 口碱二、硫酸 食盐 木炭 石灰石NaClH2SO4NaHSO4HClNaClNaHSO4Na2SO4HClNa2SO42CNa2S2CO2Na2SCaCO3Na2CO3CaS原料利用不充分较 成本较高 设备腐蚀严重三.索尔维 索尔维制碱NH3CO2H2O=NH4HCO3NaClNH4HCO3=NaHCO3NH4Cl2NaHCO3Na2CO3CO2H2O四、氨碱 合成 氯化 氨 二氧化碳 氨 二氧化碳NaClNH4HCO3=NaHCO3NH4Cl2NaHCO3Na2CO3CO2H2O堂中互动【问题探究1】从天然碱的形成推测碳酸钠在水中结晶析出主要受到哪些因素的影响？【教师点拨】关键从影响物质在水中的溶解度因素出发。分析解答:天然碱的生产主要是利用碳酸钠从水溶液中结晶析出，因此，根据固体物质在水中溶解度的影响因素，改变温度、结晶水合物的组成以及溶剂水的质量等因素，可以改变碳酸钠在水中的溶解情况，提高结晶析出的速率和质量（纯度）。【即学即练1】向饱和Na2CO3溶液中通入足量CO2，结果有晶体析出，对析出晶体的原因分析不正确的是()A.相同温度下，Na2CO3的溶解度大于NaHCO3 B.溶液中溶剂减少了C.溶质质量增加了 D.反应过程放热1.D【解析】本题考查的是Na2CO3与CO2反应的知识，根据反应方程式Na2CO3CO2H2O=2NaHCO3可以得出：通过反应，溶剂质量减少，溶质质量增加，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，因此有NaHCO3晶体析出。【问题探究2】索尔维法制碱生产的主要过程可划分为哪几个阶段？索尔维法制碱的工艺流程是怎样的？氨碱法有何优、缺点？【教师点拨】关键要求学生从课本中找信息点，将信息转化成化学用语。分析解答：盐水的精制盐水氨化氨盐水碳酸化碳酸氢钠的转化氨的循环优点：氨碱法生产纯碱具有原料(食盐和石灰石)便宜易得、产品纯度高、氨和部分二氧化碳可循环使用、制造步骤简单、生产过程连续且规模大等。缺点：大量CaCl2用途不大，NaCl利用率只有70%，约30%的NaCl留在母液中。【即学即练2】以下关于索尔维制碱法的描述正确的是()A.使用的原料为食盐、CO2、氨B.精制盐水后应先通入CO2再通入过量的NH3C.析出NaHCO3后的母液中已无NaCl，只有NH4ClD.索尔维法的缺点是盐利用率只有70%，生成的CaCl2难处理2.AD【解析】索尔维制碱法又叫氨碱法，主要原料有食盐、氨和CO2；反应的原理为NaClNH3CO2H2O=NaHCO3NH4Cl，而NH3与CO2为11时才能生成NaHCO3，但CO2在水中溶解度小，先通入CO2，CO2溶解度小，再通入NH3时，NH3过量而CO2太少；析出NaHCO3后母液中仍有NaHCO3、NaCl、NH4Cl；加入石灰后回收NH3，但生成的CaCl2吸水性强，呈黏稠状无法处理。【问题探究3】联合制碱法的主要生产过程有哪些？侯氏制碱法的工艺流程是怎样的？侯氏制碱法比索尔维制碱法有何优越性？【教师点拨】关键要求学生从课本中找信息点，将信息转化成化学用语。分析解答：联合制碱法：盐水精制盐水氨化氨盐水碳酸化制Na2CO3回收CO2循环制NH4Cl。保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可作氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。【即学即练3】纯碱是一种重要的化工原料。目前制碱工业主要有“氨碱法”和“联合制碱法”两种工艺。下列说法不正确的是()A.“联合制碱法”和“氨碱法”的化学反应原理中都有下列化学反应NH3CO2NaClH2O=NaHCO3NH4Cl2NaHCO3Na2CO3H2OCO2B.“联合制碱法”生产中有氨的循环利用工艺C.“氨碱法”生产中有氨的循环利用工艺D.“联合制碱法”和“氨碱法”都有一定的局限性3.B【解析】“氨碱法”将NH4Cl和Ca(OH)2再反应，使NH3循环利用；“联合制碱法”是制得纯碱和副产品氯化铵。练案A组（课堂反馈 满分50分）一、选择题（每小题5分，共35分）1.在下列科学家中，为我国的化学工业做出重大贡献的是()A邓稼先B李四光 C华罗庚 D侯德榜1.D【解析】这四位都是我国在世界上享有盛誉的著名科学家，邓稼先是核物理学家；李四光是地质学家；华罗庚是数学家；侯德榜是化工学家。2.下列物质的用途中不正确的是()A.小苏打：制糕点 B小苏打：发酵粉主要成分C过氧化钠：制O2 D烧碱：治疗胃酸2.D【解析】小苏打是NaHCO3的俗名，它可用于制糕点、作发酵粉以及治疗胃酸过多等。2Na2O22H2O= 4NaOHO2，可用Na2O2来制O2。3.与氨碱法比较，下列关于联合制碱法优点的判断中不正确的是()A.提高了原料利用率B.降低了生产成本C.减少了环境污染 D.减轻了对设备的腐蚀3.D【解析】侯氏联合制碱法是将合成氨工业和制碱工业联合起来，保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可作氮肥，避免了生成大量无用的CaCl2；同时可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序，降低了生产成本，减少了对环境的污染。4.1791年，法国医生路布兰首先获得制碱专利，以食盐、浓硫酸、石灰石、煤为原料制碱，该方法分三步：用NaCl与H2SO4反应制Na2SO4：2NaClH2SO4Na2SO42HCl用焦炭还原Na2SO4制Na2S：Na2SO44CNa2S4CO用硫化钠与石灰石反应制Na2CO3：Na2SCaCO3Na2CO3CaS下列说法正确的是()A.两步都是氧化还原反应 B.只有第步是氧化还原反应C.该方法对生产设备基本没有腐蚀 D.该方法对环境污染较小4.B【解析】依据氧化还原反应是有化合价变化的反应可知，第步是氧化还原反应，故A错，B对；该生产中产生HCl，对生产设备严重酸蚀；第步产生的CO是大气污染物，故C、D错。5.根据课本的介绍，下列工业生产过程中不需要使用氨水或氨气的是（ ） A.硫酸的工业制法 B.石油的催化裂化 C.硝酸的工业制法 D.联合制碱工业 5.B【解析】工业上用氨水来吸收制备硫酸尾气中的二氧化硫，选项A对；选项B中，不需要使用氨气或氨水，选项B对；选项C中，氨气是工业上制备硝酸的原料之一，选项C错；选项D中，氨气是联合制碱中的反应物，选项D错；正确答案为B。6.工业上常用氨碱法制取碳酸钠(将氨和二氧化碳先后通入饱和食盐水而析出小苏打，再经过滤、煅烧而得到纯碱)，但却不能用氨碱法制碳酸钾，这是因为在溶液中()AKHCO3溶解度较大 BKHCO3溶解度较小CK2CO3溶解度较大 DK2CO3溶解度较小6.A【解析】氨碱法制取Na2CO3的原理是，在精制的食盐水中分别通入NH3、CO2，由于NaHCO3溶解度不大，当Na，HCO3浓度较大时便析出NaHCO3晶体，将过滤得到的NaHCO3煅烧得Na2CO3，反应的方程式为：NH3H2OCO2=NH4(aq)HCO3(aq)，Na(aq)HCO3(aq)=NaHCO3(s)，2NaHCO3Na2CO3H2OCO2。由于KHCO3溶解度较大，无法从溶液中析出，故无法利用氨碱法制取K2CO3。7.1892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.从绿色化学原料的充分利用的角度看，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，每再生产1 mol Na2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是补充2 mol NaCl和1 mol CO27.C【解析】本题属于实验评价题。工业制碱的原理涉及反应：NaClNH3CO2H2O=NaHCO3NH4Cl,2NaHCO3=Na2CO3CO2H2O。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 Na2CO3,2NaCl2NH32CO22NaHCO3Na2CO3CO2，再补充的物质及其物质的量分别是2 mol NaCl和1 mol CO2。二、填空题（共15分）8.(6分) 根据氨碱法的原理，首先配置氨化饱和食盐水，即向饱和食盐水中加入氨水(体积比11)并充分搅拌；再将二氧化碳通入氨化饱和食盐水中，控制一定的温度，直至有碳酸氢钠析出。请回答下列问题：(1)用化学方程式分别表示出氨和二氧化碳在水中产生NH4、HCO3的原理_ _。(2)向饱和食盐水中加入氨水和通入二氧化碳的先后顺序是先加氨水后通二氧化碳。是否可以先通二氧化碳后加氨水？为什么？_。(3)写出氨碱法生成碳酸氢钠的化学方程式_。8.(1)NH3H2ONH3H2ONH4OH或(NH3H2ONH4OH)；(1分)CO2H2OH2CO3HCO3H(或CO2H2OHCO3H) (1分)(2)否。在常温下，氨在饱和食盐水中的溶解度很大，二氧化碳在饱和食盐水中的溶解度较小。若先通二氧化碳后加氨水，溶液里只能产生很小浓度的HCO3，不利于生成NaHCO3沉淀(2分)(3)NaClNH4HCO3=NaHCO3NH4Cl(或NaClNH3CO2H2O=NaHCO3NH4Cl) (2分)【解析】在通常状况下，氨在水中的溶解度近700体积，二氧化碳在水中的溶解度仅约1体积。9.(9分)根据侯德榜制碱法原理参考下表的数据，实验室制备纯碱(Na2CO3)的主要步骤是：将配制好的饱和NaCl溶液倒入烧杯中加热，控制温度在3035 ，在搅拌下分批加入研细的NH4HCO3固体；加料完毕后，继续保温30 min，静置、过滤得NaHCO3晶体。用少量蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后转入蒸发皿中，灼热2 h，制得Na2CO3固体。四种盐在不同温度下的溶解度(S/100 g)温度溶解度盐0 10 20 30 40 50 60 100 NaCl35.735.836.036.336.637.037.339.8NH4HCO311.915.821.027.0NaHCO36.98.19.611.112.714.516.4NH4Cl29.433.337.241.445.85455.377.3(说明：35 ，NH4HCO3会分解)请回答：(1)反应温度控制在3035 ，是因为若高于35 ，则_，若低于30 ，则_；为控制此温度范围，采取的加热方法为_。(2)加料完毕后，继续保温30 min，目的是_；静置后只析出NaHCO3晶体的原因是_；用蒸馏水洗涤NaHCO3晶体的目的是除去_杂质(用化学式表示)。(3)过滤所得的母液中含有_(用化学式表示)，需加入_，并作进一步处理，使NaCl溶液循环使用，同时可回收NH4Cl。9.(1)NH4HCO3分解（1分）反应速率降低（1分）水浴加热（1分）(2)使反应充分进行（1分）3035 时，NaHCO3的溶解度最小（1分）NaCl、NH4Cl、NH4HCO3（1分）(3)NaHCO3、NaCl、NH4Cl、NH4HCO3（2分）HCl（1分）【解析】(1)由题意知，大于35 时NH4HCO3分解，故温度不能超过35 ，若低于30 反应速率降低，要控制此温度范围应用水浴加热。(2)保温30 min是为了使反应充分进行，提高原料的利用率和NaHCO3的产率，由表可知，只析出NaHCO3晶体的原因是因为在3035 时NaHCO3的溶解度最小；洗涤的目的是为了除去溶液中的其他杂质如NaCl、NH4Cl、NH4HCO3等。(3)过滤所得的母液中含有NaHCO3、NH4Cl、NaCl、NH4HCO3，可以加HCl使之全部生成NaCl。B组（课后拓展）1.联合制碱法中关键的一步是把NH4Cl从几乎饱和的NaHCO3溶液中分离出来，为此根据NaCl和NH4Cl溶解度的差异，向混合溶液中通入某种气体，同时加入磨细的食盐，可析出不夹带NaHCO3的NH4Cl。NaCl和NH4Cl共同存在时的溶解度曲线如图所示，以下操作正确的是（ ） 通入气体温度控制A.CO23040B.CO2010C.NH33040D.NH30101.D【解析】由题图可知，溶液的温度在010 的范围内，有利于NaCl的溶解和NH4Cl的析出。向溶液中加NaCl就是加Na和Cl，向溶液中加NH3就是加OH和NH4，这些都有利于NH4Cl的析出和NaHCO3的溶解。2.工业上可用食盐和石灰石为主要原料，经不同的方法生产纯碱。请回答下列问题：(1)卢布兰芳是以食盐、石灰石、浓硫酸、焦炭为原料，在高温下进行煅烧，再浸取，结晶而制得纯碱。食盐和浓硫酸反应的化学方程式为_；硫酸钠和焦炭、石灰石反应的化学方程式为_(已知产物之一为CaS)；(2)氨碱法的工艺如下图所示，得到的碳酸氢钠经煅烧生成纯碱。图中的中间产物C是_，D_。(写化学式)；装置乙中发生反应的化学方程式为_；(3)联合制碱法对氨碱法的改进，其优点是_；(4)有人认为碳酸氢钾与碳酸氢钠的化学性质相似，故也可用氨碱法以氯化钾和石灰石为原料制碳酸钾。请结合下图的溶解度(S)随温度变化曲线，分析说明是否可行？_。2.(1)2NaCl+ H2SO4(浓) Na2SO4 + 2 HClNa2SO4 + 4C + CaCO3 CaS + Na2CO3 + 4CO或Na2SO4 + 2C + CaCO3 CaS + Na2CO3 + 2CO2(2)Ca(OH)2 ，NH3；NH3 + CO2 +NaCl +H2O = NaHCO3 + NH4 Cl(3)保留了氨碱法的优点，使食盐的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，原料气氨气和一氧化碳都由氨厂提供，减少CaCO3 制 CO2 这一工序，降低了能耗与污染。(4)不可行，因为碳酸氢钾溶解度较大,且在常温下与氯化钾的溶解度差别小，在氨盐水碳酸化时无法大量析出。【解析】 (1)是考查工业生产中的基本原理；(2)是生产过程中工艺的考查，在细读生产工艺图中各物质的变化后，可得出；(3)考查对教材知识的掌握情况；(4)分析图可看出NaHCO3与新信息KHCO3在溶解度图中的差别，可推测溶解度的差别是判断的依据。 3.我国化工专家侯德榜的侯氏制碱法为世界制碱工业作出了突出贡献。他以NaCl、NH3、CO2等为原料制得NaHCO3，进而生产出纯碱，有关反应的化学方程式为：NH3CO2H2O=NH4HCO3NH4HCO3NaCl=NaHCO3NH4Cl2NaHCO3Na2CO3CO2H2O(1)碳酸氢铵与饱和食盐水反应，能析出碳酸氢钠晶体的原因是_(填字母标号)。a碳酸氢钠难溶于水b碳酸氢钠受热易分解c碳酸氢钠的溶解度相对较小，所以在溶液中首先结晶析出(2)某探究活动小组根据上述制碱原理，进行碳酸氢钠的制备实验，同学们按各自设计的方法实验。一位同学将二氧化碳气体通入含氨的饱和食盐水中制备碳酸氢钠，实验装置如下图所示(图中夹持、固定用的仪器未画出)：试回答下列有关问题：()乙装置中的试剂是_；()丁装置中稀硫酸的作用是_。()实验结束后，分离出NaHCO3晶体的操作是_(填分离操作的名称)。另一位同学用下图中戊装置(其他装置未画出)进行实验：()实验时，须先从_管通入_气体，再从_管中通入_气体；()有同学建议在戊装置的b管下端连接己装置，原因是_。(3)请你再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法：_。3.(1)c(2)()饱和碳酸氢钠溶液()吸收未反应的NH3(答“防止倒吸”或“吸收CO2”不可以)()过滤()aNH3bCO2()增大气体与溶液接触面积，提高CO2吸收率(3)往烧碱溶液中通入过量CO2(或往饱和Na2CO3溶液中通入过量CO2等，其他合理方法均可) 【解析】(1)在溶液中溶解度最小的物质最先析出。(2)除去CO2中的HCl用饱和NaHCO3溶液；H2SO4吸收挥发出来的NH3；NaHCO3以固体形式析出，应采用过滤操作。侯氏制碱法应向饱和NaCl溶液中先通NH3后通CO2，因为NH3溶解度大，可吸收更多CO2，生成较多NaHCO3固体；NH3极易溶于水，易发生倒吸，所以从a管进入；己为多孔球泡，可增大接触面积。(3)可利用以下反应原理制备NaHCO3：NaOHCO2=NaHCO3，Na2CO3CO2H2O=2NaHCO3。