侯氏制堿法的探究

張春旺

摘要：碳酸鈉作為一種重要的工業(yè)原料，用途十分廣泛，與我們的生活息息相關(guān)。而制堿所涉及到化學(xué)反應(yīng)原理和實(shí)驗(yàn)操作都是中學(xué)化學(xué)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，通過(guò)侯氏制堿法這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以提高物質(zhì)的分離提純能力，培養(yǎng)對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣愛(ài)好，激發(fā)愛(ài)國(guó)主義情懷。

關(guān)鍵詞：侯氏制堿法;物質(zhì)的分離

一、研究背景

碳酸鈉作為一種重要的工業(yè)原料，用途十分廣泛，與我們生活息息相關(guān)。純堿工業(yè)始創(chuàng)于18世紀(jì)，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)制堿法把持在英、法、德、美等國(guó)家手中。1943年我國(guó)化學(xué)工程專(zhuān)家侯德榜把氨堿法和合成氨法兩種工藝聯(lián)合起來(lái)，同時(shí)生成純堿和氯化銨兩種產(chǎn)品，即侯氏制堿法，又稱(chēng)聯(lián)合制堿法。相比氨堿法，侯氏制堿法大幅提高原料的利用率，在學(xué)術(shù)界獲得很高的評(píng)價(jià)，也為我國(guó)的民族工業(yè)做出杰出的貢獻(xiàn)。

碳酸鈉、碳酸氫鈉的性質(zhì)先后出現(xiàn)在初中生活中常見(jiàn)的鹽、高中幾種重要的金屬化合物，可見(jiàn)它們?cè)谥袑W(xué)化學(xué)中是非常具有代表性的一組鹽，高一學(xué)生在學(xué)習(xí)離子反應(yīng)、金屬化合物后，根據(jù)侯氏制堿法原理，制備碳酸鈉，有助于學(xué)生掌握碳酸鈉和碳酸氫鈉性質(zhì)，鍛煉多種實(shí)驗(yàn)操作。

二、教學(xué)過(guò)程研究

（一）實(shí)驗(yàn)原理

侯氏制堿法包括兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程將氨通入飽和食鹽水而成氨鹽水，再通入二氧化碳生成碳酸氫鈉沉淀，經(jīng)過(guò)濾、洗滌得NaHCO3微小晶體，再煅燒制得純堿產(chǎn)品，其濾液是含有氯化銨和氯化鈉的溶液。第二個(gè)過(guò)程是從含有氯化銨和氯化鈉的濾液中結(jié)晶沉淀出氯化銨晶體。由于氯化銨在常溫下的溶解度比氯化鈉要大，低溫時(shí)的溶解度則比氯化鈉小，而且氯化銨在氯化鈉的濃溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。所以在低溫條件下，向?yàn)V液中加入細(xì)粉狀的氯化鈉，并通入氨氣，可以使氯化銨單獨(dú)結(jié)晶沉淀析出，經(jīng)過(guò)濾、洗滌和干燥即得氯化銨產(chǎn)品。此時(shí)濾出氯化銨沉淀后所得的濾液，己基本上被氯化鈉飽和，可回收循環(huán)使用。其化學(xué)方程式可以歸納為以下三步反應(yīng)：

NH3+H2O+C02 NH4HC03

NH4HC03+NaCl NH4Cl+NaHC03↓

2NaHCO3 Na2C03+C02↑+H2O↑

（二）以往學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題

1.如何制取CO2

在教學(xué)中我們通常用強(qiáng)酸和碳酸鹽反應(yīng)制取CO2，如：

HCl+CaC03 H2O+CaCL2+CO2↑

H2S04+Na2C03

Na2S04+H20+C02↑

本次實(shí)驗(yàn)的目的制取Na2C03，所以筆者不建議用Na2C03作為原材料，合成碳酸氫鈉的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)所需的二氧化碳一般不宜用鹽酸來(lái)制得，特別是較濃鹽酸將逸出相當(dāng)多的氯化氫氣體，不利于碳酸氫鈉生成。本實(shí)驗(yàn)用碳酸鈣粉末與難揮發(fā)性稀硫酸的稀溶液反應(yīng)，由于硫酸鈣微溶于水，所以這里不選用塊狀的大理石作為反應(yīng)物，使用過(guò)量的碳酸鈣粉末并采用磁力攪拌器輔助，有很好的實(shí)驗(yàn)效果。

H2S04+CaC03 Ca2S04↓+H20+CO2↑

2.如何確保向飽和氨化食鹽水中通二氧化碳后有沉淀生成

在洗氣裝置中（飽和氨化食鹽水通過(guò)量二氧化碳）大量存在的離子有Cl-、Na+、NH4+、HC03-，則溶液中可能存在的幾種化合物對(duì)應(yīng)的溶解度表如表l

通過(guò)圖表更直觀的看到幾種物質(zhì)的溶解度隨溫度的變化

通過(guò)對(duì)氯化鈉、碳酸氫鈉、氨氣、碳酸氫銨、氯化銨幾種物質(zhì)的溶解度不難看出氯化銨、碳酸氫銨、碳酸氫鈉的溶解度隨著溫度升高而增大，氯化鈉受溫度影響很小，氨氣隨著溫度升高溶解度降低。通入過(guò)量二氧化碳，使得在室溫（20℃）時(shí)產(chǎn)生的碳酸氫鈉達(dá)到飽和，再冷卻至O℃，確保有晶體析出。

3.如何得到碳酸鈉

析出的晶體就是碳酸鈉嗎？顯然不是，通過(guò)表1和圖1我們可以知道碳酸氫鈉、氯化

銨、碳酸氫銨都可能會(huì)析出，我們可以利用這三種鹽的共性來(lái)除雜，原理如下：

2NaHC03 Na2CO3+H20↑+C02↑

NH4Cl NH3↑+HCl↑

NH4HC03

NH3↑+C02↑+H20↑

我們可以看到通過(guò)加熱可以去除掉氯化銨、碳酸氫銨這兩種雜質(zhì)，同時(shí)得到碳酸鈉。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

1.按照?qǐng)D2所示組建好實(shí)驗(yàn)裝置。

2.分別取5ml飽和氨化食鹽水于支管試管和小試管中，加入2滴酚酞指示劑。錐形瓶中加入20g碳酸鈣，放入磁子，蓋好塞子后，向分液漏斗中加20ml 3mol/L的稀硫酸。

3.打開(kāi)磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加稀硫酸，至支管試管中紅色褪去，且有沉淀生成時(shí)記錄所用時(shí)間，做兩次平行試驗(yàn)。

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4.在反心結(jié)束支支管試管冷卻至室溫后，放入冰箱中冷卻至O℃，低溫過(guò)濾得到固體。

5.加熱所得固體。

（四）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

室溫20℃時(shí)開(kāi)始進(jìn)行反應(yīng)，支管試管中溶液顏色逐漸變淺，在上層內(nèi)壁有結(jié)晶出現(xiàn)，如圖3，反應(yīng)一分鐘后，支管試管中氣泡數(shù)量遠(yuǎn)大于尾管中的氣泡數(shù)量，其反應(yīng)為：

NH（g）+H0（g）+CO（g）=NHHC0（s）

制取碳酸氫鈉過(guò)程放熱，使得溶液中氨氣逸出，期間二氧化碳不斷通入，且尾管液封較深，使得支管試管內(nèi)壓強(qiáng)增加，相當(dāng)于增大反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)速率加快，所以在支管試管內(nèi)壁上先看到結(jié)晶，而尾管內(nèi)壁上并沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)晶。

給所得固體加熱，固體變粉紅，試管口有小液滴生成，并有白煙生成、有刺激性氣味逸出，持續(xù)加熱紅色退去。說(shuō)明析出的固體中含有氯化銨，因?yàn)椴](méi)有除去酚酞，碳酸鈉、氨氣在有水蒸氣的條件下使得酚酞變紅，如果滴加酚酞，即可得到純凈的碳酸鈉，也可以用無(wú)水乙醇洗滌所得固體，除去酚酞。

濾液中加入氯化鈉完全溶解后，在低溫狀態(tài)下通入氨氣，可以繼續(xù)用于制堿反應(yīng)，從而提高原料的利用率。

三、教學(xué)反思

通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)可以很好的地鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)動(dòng)力，加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，串聯(lián)已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，推導(dǎo)出知識(shí)脈絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

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