侯式制碱法原理与简单流程

精锐教育学科教师辅导讲义学员编号：年级：高三课时数： 3学员姓名：辅导科目：化学学科教师：授课主题侯式制碱法原理和简单流程侯氏制碱法在上海高考中占有比较特殊的地位，出现的几率较大；常考的知识点是侯氏制碱法的原教学目的理、温度的选择、母液的成分、处理及与氨碱法的优劣比较，学生在温度的控制和母液的处理上出现的错误几率较大。教学内容内容回顾1【 2013 年上海高考6】与索尔维制碱法相比，侯德榜制碱法最突出的优点是（）A 原料利用率高B设备少C循环利用的物质多D原料易得2【 2012 年上海高考八】碳酸氢铵是一种重要的铵盐。实验室中，将二氧化碳通入氨水可制得碳酸氢铵，用碳酸氢铵和氯化钠可制得纯碱。完成下列填空：41 二氧化碳通入氨水的过程中，先有_ 晶体 (填写化学式 )析出，然后晶体溶解，最后析出NH 4HCO 3 晶体。3【 2010 年上海高考27 】工业生产纯碱的工艺流程示意图如下：完成下列填空：1）粗盐水加入沉淀剂A 、 B 除杂质（沉淀剂A 来源于石灰窑厂），写出A 、 B 的化学式。AB2）实验室提纯粗盐的实验操作依次为：取样、沉淀、冷却结晶、烘干。3）工业生产纯碱工艺流程中，碳酸化时产生的现象是。碳酸化时没有析出碳酸钠晶体，其原因是。4）碳酸化后过滤，滤液D 最主要的成分是（填写化学式），检验这一成分的阴离子的具体方法是：。1/125）氨碱法流程中氨是循环使用的，为此，滤液D 加入石灰水产生氨。加石灰水后所发生的反应的离子方程式为：滤液 D 加石灰水前先要加热，原因是。6）产品纯碱中含有碳酸氢钠。如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数，纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为：（注明你的表达式中所用的有关符号的含义）4【 2005 年上海高考五26（ A）】我国化学侯德榜（右图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：食盐水CO2XNH3循环 IINa 2 CO 3合成氨厂沉淀池煅烧炉循环 INH 3母液(提取副产品 )(1)上述生产纯碱的方法称，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NH4+ 的浓度，使NH 4Cl 更多地析出(b)使 NaHCO 3更多地析出(c)使 NaHCO3 转化为 Na2 CO3，提高析出的NH 4 Cl 纯度答案： 1 ( NH 4)2CO 3 1） Ca(OH) 2或 CaO Na 2 CO 3 2) 溶解过滤蒸发过滤3）有晶体析出（或出现浑浊）碳酸钠溶解度比碳酸氢钠大4 ） NH 4Cl 取样，加硝酸酸化，再加硝酸银，有白色沉淀产生，该阴离子是氯离子+ OH- NH3 H2O5）NH4防止加入石灰水时产生碳酸钙沉淀( 解析：加热时，使碳酸氢根水解程度增大，释放出二氧化碳，减少碳酸氢根的量，从而减少氢氧根的消耗，使铵根完全转化为氨气放出，同时产生碳酸钙的含量也相应的减少)6）84(m1 m2 )( NaHCO 3 )31m14（ 1）联合制碱法或侯德榜制碱法化肥或电解液或焊药等（其他合理答案均给分）（ 2） NH 3 CO 2 H 2O NaCl NH 4Cl NaHCO 3或 NHCOHO NH HCO3NH4HCO NaCl NaHCO NHCl3224334（3）CO（4）I过滤（ 5）稀硝酸和硝酸银溶液（ 6） a c22/12知识精讲【知识梳理】实验背景： 无水碳酸钠，俗名纯碱、苏打。它是玻璃、造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革等工业的重要原料，还常用作硬水的软化剂，也用于制造钠的化合物。它的工业制法主要有氨碱法和联合制碱法两种。一、实验原理化学反应原理是：总反应为：将经过滤、洗涤得到的NaHCO 3 微小晶体再加热，制得纯碱产品：答案： 化学反应原理：NH 3CO2H 2ONH 4 HCO 3NaCl(饱和 )NaCl总反应：(饱和)NH 4 HCO3NaHCO 3NH 4ClNH 3CO 2H 2ONaHCO 3NH 4 Cl2NaHCO 3Na2CO 3CO 2H 2O二、氨碱法（又称索尔维法）1原料：食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气2步骤：先把氨气通入饱和食盐水中而成氨盐水，NH 3CO2H 2ONH4 HCO 3再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液，NaCl ( 饱和 )NH 4HCO 3NaHCO 3NH 4 Cl将经过滤、洗涤得到的NaHCO 3 微小晶体，再加热煅烧制得纯碱产品。2NaHCO 3Na2 CO 3CO 2H 2 O （放出的二氧化碳气体可回收循环使用）含有氯化铵的滤液与石灰乳Ca(OH)2 混合加热，所放出的氨气可回收循环使用。CaO H2OCa(OH)2，2NH4Cl Ca(OH)2CaCl 2NH 2H O232其工业流程图为：3/12其工业生产的简单流程如图所示：3 氨碱法的优点是：（）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使用；（）制造步骤简单，适合于大规模生产。4氨碱法的缺点是：（）产生大量无用的副产品CaCl 2（） NaCl 利用率只有70% ，约有 30% 的 NaCl 留在母液中。（ 3 ）设备多，耗能大。三、联合制碱法（又称侯氏制碱法）1原料：食盐、氨气和二氧化碳合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。CH O高温高温CO+H 2 CO H 2O （g）CO2 +H 22（g）2步骤：联合制碱法包括两个过程：4/12第一个过程与氨碱法相同：将氨通入饱和食盐水而成氨盐水，再通入二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，经过滤、洗涤得 NaHCO 3 微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有氯化铵和氯化钠的溶液。第二个过程是从含有氯化铵和氯化钠的滤液中结晶沉淀出氯化铵晶体。由于氯化铵在常温下的溶解度比氯化钠要大，低温时的溶解度则比氯化钠小，而且氯化铵在氯化钠的浓溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。所以在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。此时滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上被氯化钠饱和，可回收循环使用。其工业生产的简单流程如图所示：此法优点：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% ； NH 4 Cl 可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO 转化成 CO 2，革除了CaCO 3 制 CO 2 这一工序。【讨论】1、索尔维采取了哪些措施来提高氨的利用率？（ 1）（ 2）（ 3）答案：（ 1）先制得氨化的饱和食盐水，再与CO 2 反应（ 2）使 CO 2 与氨化的饱和食盐水在合成塔中逆流接触（ 3）母液与熟石灰作用重新生成氨气2、“侯氏制碱法”与“索尔维制碱法”的主要不同在母液的处理上。“侯氏制碱法”采取了怎样的方式对母液进行处理？从化学原理上分析采取这些处理措施的原因。（ 1）向母液中加食盐细粒【思考】向向母液中加食盐细粒的目的是什么？答案：降低氯化铵在氯化钠中的溶解度，便于氯化铵的析出（ 2）向母液中通氨气【思考】向母液中通氨气的作用有哪些？答案：增加 NH 4 的浓度，有利于NHCl 析出4使 NaHCO 3 转化为 Na 2CO 3，提高析出 NH 4Cl 的纯度 。（ 3）降温至 5 左右3、侯氏制碱法的现实意义5/12（ 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CaCl 2。（ 2）体现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CO 2 ，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。二、化工生产的基本原理（ 1）充分利用原料体现物料平衡思想。例如：合成氨生产、纯碱生产中都有原料利用的工艺；接触法制硫酸、氨氧化制硝酸中都利用廉价的来提高原料气的转化率。（ 2）充分利用能量体现能量守恒思想。例如：若存在放热步骤，可通过列管式器利用放出的热量对需要加热的物料进行预热；若不存在放热步骤，要设计出充分利用燃料和充分利用能量的工艺。（ 3）保护环境体现绿色化学思想：是指工业生产的过程中没有（或者极少有）有毒、有害物质排出，合成产品的原子利用率尽量达到。答案：循环空气热交换百分之百【例题精讲】例 1. 联碱法（候氏制碱法）和氨碱法的生产流程简要表示如下图：食盐水X石灰石食盐水， NH 3XCO 2循环 II循环 IINH3 沉淀煅烧Na2 CO 3CO2合成氨厂炉煅烧沉淀煅烧Na2 CO3池池炉ZYNH 3循环 ICaO循环 I母液食盐细粉母液NH 4Cl排出液 W冷却至 10 以下，过滤联碱法（候氏制碱法）生产流程示意图氨碱法生产流程示意图（ 1）沉淀池中发生反应的化学方程式为 _ 。（ 2）填写化学式： X 是 _ ， Y 是 _ ； Z 中除了溶解的氨气、食盐外，其它溶质还有_ ；排出液中的溶质除了氢氧化钙外，还有_ 。（ 3）在氨碱法生产过程中氨要循环使用，但不需要补充，在母液中加生石灰前先要加热的原因是。氨碱法总反应过程可用化学方程式表示为_ 。（ 4）根据联碱法中从母液中提取氯化铵晶体的过程推测，所得结论正确是_ 。+a常温时氯化铵的溶解度比氯化钠小4b 通入氨气能增大NH 的浓度，使氯化铵更多析出c加入食盐细粉能提高+3Na 的浓度，使 NaHCO 结晶析出d. 通入氨气能使 NaHCO 3转化为 Na 2CO 3，提高析出的 NH 4Cl 纯度（ 5）联碱法中，每当通入NH 344.8L（已折合成标准状况下）时可以得到纯碱100.0g ，则 NH 3的利用率为 _ ；相比于氨碱法，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）。指出联碱法的另一项优点 _。（ 6）绿色化学的重要原则之一是提高反应的原子利用率。根据“联合制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：原子利用率（%）=。6/12例 2 根据侯德榜制碱法原理并参考下表的数据，实验室制备纯碱Na 2CO 3 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30 35 ，搅拌下分批加入研细的 NHHCO 固体，加料完毕后，继续保温30 分钟，静置、过滤得NaHCO 晶体。用少量433蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后，转入蒸发皿中，灼烧2 小时，得 Na CO 固体。23四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g水）表温度010 20 30 40 50 60 100 盐溶解度NaCl35.735.836.036.336.637.037.339.8NH4HCO311.915.821.027.0NaHCO6.98.19.611.112.714.516.43NH4Cl29.433.337.241.445.850.455.377.3 35 NH 4 HCO 3 会有分解请回答： 反应温度控制在30 35 ，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 _。加料完毕后，继续保温30 分钟，目的是_。静置后只析出 NaHCO 3 晶体的原因是_。用蒸馏水洗涤NaHCO 3 晶体的目的是除去_杂质（以化学式表示）过滤所得的母液中含有_（以化学式表示），需加入_ ，并作进一步处理，使NaCl 溶液循环使用，同时可回收NH4Cl测试纯碱产品中NaHCO 含量的方法是：准确称取纯碱样品W g，放入锥形瓶中加蒸馏水3溶解，加1 2 滴酚酞指示剂，用物质的量浓度为c（ mol/L ）的 HCl 溶液滴定至溶液由2+红色到无色（指示CO 3+H HCO 3 反应的终点），所用HCl 溶液的体积为V1 mL ，再加 12 滴甲基橙指示剂，继续用HCl 溶液滴定至溶液由黄变橙，所用HCl 溶液总体积为 V mL 。写出纯碱样品中NaHCO 质量分数的计算式：23NaHCO 3 % = _。例 3 （ 1） Solvay 制碱（氨碱）法和侯德榜（联合）制碱法的基本原理均可用反应方程式表示为：NaCl+_ + _ NaHCO 3 +_将 NaHCO 3 沉淀滤出后，母液中残留的离子主要有Cl -、 NH4+和_ 、_ 。该母液的酸碱性为_ （选择填充）。a.强酸性b.强碱性c.接近中性Solvay 对母液的基本处理是：加入_ 。Solvay 法中 _是循环使用的。侯德榜对母液的基本处理是：加入_ 和_ ，得到重要的副产品_ 。侯德榜法中_是部分循环使用的。如果从海水中提取的食盐未经精制（提纯），所得纯碱中含有的难溶性杂质将主要是_ 和 _（用化学式表示）。（ 2）工业上需要对溶液进行碱化时，常用氨水替代NaOH 。好处何在，请说出你对此的看法。a._b._7/12答案 1. （ 1）NaCl + NH 3+ CO 2 +H 2 O NaHCO 3 + NH 4 Cl （ 2） CO 2NH 3 Na 2 CO3 、 NH4ClCaCl 2 、 NaCl （ 3）防止生石灰先跟溶液中的NaHCO 3 反应产生碳酸钙沉淀CaCO 3 +2NaCl Na 2CO 3 + CaCl 2（4） b d（ 5） 94.3%232循环避免产生大量含有CaCl 的废液（或节省石灰窑、蒸氨塔等设备）（ 6）由于总反应可看作是： 2NH+2NaCl+CO+H O NaCO +2NH4Cl ，所以：原子利用率（% ）23目标产物总产量m(Na 2 CO 3 ) m( NH 4 Cl )100%100%反应物总质量m(NaCl ) m( NH 3 ) m(CO 2 ) m(H 2O)2. NH HCO 分解反应速率降低水浴加热43 使反应充分进行 NaHCO的溶解度最小 NaCl NHCl NHHCO3443 NaHCO3NaCl NH4Cl NHHCO34HCl3. （ 1） H O+NH+CO NHClNa+-、 HCO c23243石灰氨气（或氨气和部分二氧化碳）氨气食盐 NH4 Cl食盐（或食盐和二氧化碳）Mg （ OH ） 2 和 CaCO 3（写 MgCO 3 也可）（ 2）成本较低；可同时制得氮肥；容易控制碱度（或其它合理答案）课后作业11892 年，比利时人索尔维以 NaCl 、CO 2、 H 2O、NH 3 为原料生产 Na 2CO 3,叫索尔维法其主要步骤是： (1) 在 NH 3 饱和的 NaCl 溶液中通入 CO 2 制得 NaHCO 3； (2) 再将 NaHCO 3 焙烧制得纯碱， CO 2 循环使用； (3) 在析出小苏打的母液中加入生石灰，NH 3 循环使用1940 年，我国著名化工专家侯德榜先生，冲破了“索尔维”法的技术封锁，并加以改进，用NaCl 固体代替生石灰，加入母液使NH 4Cl 晶体析出，生产出纯碱和氯化铵这便是举世闻名的“侯氏制碱法 ”试回答：(1)在氨饱和 NaCl 溶液中通入 CO 2 的两步反应方程式为。(2)不能在 NaCl 溶液中通入 CO 2 制 NaHCO 3 的原因。(3)析出小苏打的母液中加入生石灰的反应方程式是。(4)“侯氏制碱法 ”与 “索尔维法 ”相比其优点是。2 1892 年比利时人索尔维以 NaCl 、 CO 2、 NH 3 、 H2O 为原料制得了纯净的 Na 2CO 3，该法又称氨碱法，其主要生产流程如下：8/12（ 1）从理论上看，循环生产是否需要再补充NH 3？。（ 2）从绿色化学原料的充分利用的角度看，该方法有二个明显的缺陷是：a； b。我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，创造了侯德榜制碱法又叫联碱法，生产流程可简要表示如下：该法是将合成氨工厂生产的NH 3 及副产品 CO 2，再与饱和食盐水反应?。该法与氨碱法不同之处有二点：（ 3）。（ 4）从理论上看，每再生产1mol Na 2CO3，再补充的物质及其物质的量分别是。3 1942 年，我国化工专家侯德榜以NaCl 、 NH 3、 CO2 等为原料先制得NaHCO 3，进而生产出纯碱，他的“侯氏制碱法 ”为世界制碱工业做出了突出贡献。有关反应的化学方程式如下：NH 3 CO2H2ONH 4HCO 3 ；NH 4HCO 3 NaCl NaHCO 3 NH 4Cl ；2NaHCO 3Na 2 CO3 CO 2 H 2O（1）“侯氏制碱法”把合成氨和纯碱两种产品联合生产，请写出工业合成氨的化学反应方程式；已知合成氨为放热反应，若从勒夏特列原理来分析，合成氨应选择的温度和压强是（选填字母）。a高温b低温c常温d高压e低压f常压（ 2）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。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（ 3）某探究活动小组根据上述制碱原理，欲制备碳酸氢钠，同学们按各自设计的方案进行实验。第一位同学：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）。请回答：写出甲中发生反应的离子方程式。乙装置中的试剂是。实验结束后，分离出NaHCO 3 晶体的操作是（填分离操作的名称）。9/12第二位同学：用图中戊装置进行实验（其它装置未画出）。为提高二氧化碳在此反应溶液中被吸收的程度，实验时，须先从a 管通入气体，再从b 管中通入气体。装置 c 中的试剂为（选填字母）。e 碱石灰f浓硫酸g无水氯化钙（4）请你再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法（用简要的文字和相关的化学反应方程式来描述）：。答案： (1)NH3 HOCO2 NH HCO3NHHCO3 NaCl NHCl NaHCO32444(2)H 2 CO 3 酸性比盐酸弱，CO 2与 NaCl 不反应(3)2NH 4 Cl CaO CaCl 2 H2O 2NH 3 (4) 使 NH 4Cl 析出，可做氮肥，不生成CaCl 2，原料 NaCl 充分利用。（ 1）不需要（ 2） a氯化钠未能充分利用；b 产生CaCl 2废弃物（ 3）将 NH 4Cl 作为一种化工产品，不再生产NH 3循环使用； 对分离出 NaHCO 3 和 NH 4Cl 后含 NaCl 的溶液循环使用。（ 4）补充 2mol NaCl ； 2mol NH 3； 1 mol CO23 催化剂（ 1）N 2 + 3H 2b、 d2NH 3高温高压（ 2） c（ 3）第一位同学： CaCO 3 + 2H + Ca 2+ + H 2O + CO 2饱和碳酸氢钠溶液过滤第二位同学：NH 3 （氨）CO2 （二氧化碳） g（ 4）向烧碱溶液中通入过量CO 2 ：NaOH + CO 2 NaHCO 3；或向饱和 Na 2CO 3 溶液中通入过量 CO 2 ： Na 2 CO 3 CO 2 H 2O 2NaHCO 3 等，其它合理方法均可。10/12知识延伸一、在侯氏制碱法中涉及的盐的溶解度温度盐溶解度010 20 30 4050 60 100 NaCl35.735.836.036.336.637.037.339.8NHHCO11.915.821.027.043NaHCO36.98.19.611.112.714.516.4NHCl29.433.337.241.445.850.455.377.34表示在该温度下NHHCO 会分解。43（）利用该表可以判断NaHCO 3 在 030 时，溶解度是最小的。（ 2）当温度高于35 时， NH 4 HCO 3会分解，因此温度不能高于35 。（ 3）在 010 时， NaCl 与 NH 4Cl 相比， NH 4Cl 的溶解度较小 .例. 工业上利用太阳能进行海水晒盐，已知海水蒸发浓缩过程中析出盐的种类和质量如下表：（表中数据为每升海水中在浓缩过程中析出各种盐的质量，单位为g）海水密度CaSO 4NaClMgCl 2MgSO 4NaBr1.130.561.200.911.210.053.260.0040.0081.220.0159.650.010.041.260.012.640.020.020.041.311.400.540.030.06（ 1）海水从密度为1.21g ml -1 浓缩到1.22g ml -1 时发生的变化是（）A 各种盐的溶解度增大B海水中水的质量分数不变C析出粗盐中NaCL 的质量分数增大D海水中的质量分数不变（ 2）海水在浓缩过程中，最先析出的盐是，实际晒盐生产中，海水的密度一般控制在1.21g/ml 1.26g/ml 范围内，由上表可知，所得粗盐中含有的杂质离子有。（ 3）如图能较正确反映浓缩过程中海水中NaCl 的质量分数（A% ）与海水密度（d）的关系的是11/122+2+2-答案：（ 1 ） C（ 2）硫酸钙；Ca， Mg ， SO 4； Br（ 3）B12/12