高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1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——化学平衡思想的创造性应用导学案

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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课标解读课标要求素养要求1.通过认识制碱工业中复杂的多平衡体系，学会分析溶液中的微粒和平衡，理解平衡之间的相互影响，能根据实际需求选择调控平衡移动的方法。2.通过了解工业制碱的原理，体会化学原理的巧妙应用，了解我国科学家对制碱工业作出的巨大贡献。1.变化观念与平衡思想：通过对索尔维制碱法和侯氏制碱法原理的分析对比，能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题。2.科学态度与社会责任：通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识。项目活动·学科探究项目活动1 解读索尔维制碱法微知识1.纯碱的用途和制法（1）纯碱是重要的基础化工原料，其产量和消费量通常作为衡量一个国家工业发展水平的指标。（2）纯碱的用途①     制造玻璃、洗涤剂、建筑材料     ②     味精    （3）纯碱的制法③     索尔维法     ④     侯氏制碱法    2.索尔维制碱法（1）原理比利时工程师索尔维用⑤      食盐、石灰石和氨       为原料，制得⑥      碳酸钠和氯化钙     ，1867年这种方法正式命名为索尔维法。（2）关键反应：⑦     。3.工艺流程图（1）吸氨发生的反应：⑧     ；（2）碳酸化发生的离子反应：⑨     ；（3）煅烧时发生的反应：⑩     。微探究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，试用平衡移动的原理进行解释。答案：提示 可溶性物质的溶解是存在限度的，当相应离子浓度过大时，可溶性物质也会析出，类似于沉淀溶解平衡。索尔维法通过增大 ，使平衡 的 ，平衡左移，产生沉淀。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？答案：提示 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 的浓度，使 析出。3.实验室模拟索尔维制碱法，为什么酚酞完全褪色后才有沉淀逐渐析出？答案：提示 开始时 ，随着 通入， 消耗完后生成的 与 反应： ，当 增大至一定程度，产生 沉淀。4.在索尔维法中有哪些物质可以循环利用？答案：提示 反应 产生的 气体及 与石灰乳反应产生的氨气。微点拨1.索尔维法的原理（1） 。将经过滤、洗涤得到的 微小晶体，再加热煅烧制得纯碱产品。 放出的二氧化碳气体可循环使用。（2）含有氯化铵的滤液与石灰乳 混合加热，所放出的氨气可循环使用。 。2.索尔维法的优、缺点（1）优点原料（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循环使用；生产步骤简单，适合大规模生产。（2）缺点①此法的最大缺点为食盐的利用率低，没有反应的食盐都随着氯化钙溶液作为废液被抛弃了，这是一个很大的损失。②两种原料的成分里都只利用了“一半”——食盐成分里的钠离子 和石灰石成分里的碳酸根离子 结合成了碳酸钠，可是食盐的另一成分氯离子 和石灰石的另一成分钙离子 却结合成了没有多大用途的氯化钙 ，因此处理氯化钙成为一个很大的负担。微训练1.“ ”是“索尔维制碱法”的重要反应。下面是4位同学对该反应涉及的有关知识发表的部分见解。其中不正确的是(     )A. B. C. D.答案：  解析：  析出 后的溶液仍是 的饱和溶液，C项错误。2.（2021山东潍坊六中高二月考）索尔维以 为原料制得了纯净的 ，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B.从绿色化学原料充分利用的角度看，该方法的两个明显缺陷是氯化钠未能充分利用和产生 废弃物C.将 作为一种化工产品，不再生产 来循环使用D.从理论上看，每生产 ，再补充的物质及其物质的量分别是 和答案： 解析：索尔维法涉及反应： 。索尔维法用生成的氯化铵制备氨气，将氨气循环利用，所以从理论上讲，是不需要补充氨的。在生产过程中， 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。根据原子守恒，从理论上看每生产 ，需要补充 和 。项目活动2 体会侯氏制碱法的创新微知识1.索尔维法的缺点索尔维制碱法的①      食盐       利用率偏低，其主要原因是母液没有循环使用。母液中含有大量②  和 ，以及高浓度的③  和 ，“灰蒸”过程只实现了 的回收利用， 和 等都随废液排放。2.侯氏制碱法的工艺流程图3.侯氏制碱法的优点（1）侯德榜巧妙地利用了溶液中氯化铵的④      沉淀溶解平衡       ，使氯化铵从母液中析出。在生产纯碱的同时联产工业氯化铵，获得了有价值的副产品。（2）“吸氨”过程通过通入氨气增大⑤     浓度，并将溶液中的碳酸氢盐转化为溶解度更大的⑥      碳酸盐       。“冷析”过程通过降温，使部分⑦     氯化铵       析出。“盐析”过程通过加入⑧      氯化钠       ，既促使⑨      氯化铵       进一步析出，又补充⑩     ，有利于后续的制碱过程。由于母液完全循环利用，侯氏制碱法大大提高了食盐的利用率（可达 ）。（3）侯氏制碱法与合成氨联合生产，充分利用合成氨工业提供的⑪     氨气、二氧化碳       等原料，因此也称为⑫      “联合制碱法”       。微探究1.原料二氧化碳的来源及反应原理是什么？答案：提示 合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气中含有 。其化学反应原理是2.解释氯化铵的析出过程。答案：提示 母液主要是氯化钠和氯化铵的混合溶液，由于氯化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氯化铵溶解度的方式回收母液中的氯化铵。3.侯氏制碱法中主要涉及什么平衡思想？答案：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， ，沉淀溶解平衡向生成沉淀的方向移动。微点拨1.侯氏制碱法的原理侯氏制碱法是我国化学工业科学家侯德榜将索尔维制碱法和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。原料是食盐、氨和二氧化碳——合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气，其化学反应原理是 。2.侯氏制碱法的步骤（1）第一个过程与索尔维制碱法相同，将氨通入饱和食盐水形成氨盐水，再通入二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，经过滤、洗涤得 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。（2）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，可循环使用。3.侯氏制碱法的优点（1）联合制碱法与索尔维制碱法比较，其最大的优点是使食盐的利用率提高，用同量的食盐比索尔维制碱法生产更多的纯碱。（2）它综合利用了氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时生产出两种有价值的产品——纯碱和氯化铵。①将氨厂的废气二氧化碳，转变为碱厂的主要原料来制取纯碱，这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；②用碱厂的无用的成分氯离子 来固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵。从而不再生成难以处理的氯化钙，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。4.平衡思想在侯氏制碱法中的应用（1）“吸氨”过程 。不断通入的 会使平衡右移， 增大，可使 平衡右移，产生溶解度更大的 。（2）“碳酸化”过程 。因“吸氨”过程中 增大，平衡右移，产生大量 。（3）“盐析”过程 ，增大 使平衡右移，析出 沉淀。（4）“冷析”过程 溶解度随温度升高而增大， ，降温时，平衡右移，析出 沉淀。微训练1.（2020天津武清杨村一中高二月考）我国化学家侯德榜根据 溶解度比 都小的性质，运用 的反应原理制备纯碱。下面是在实验室进行模拟实验的生产流程示意图，则下列叙述错误的是(     )A. 气体是 ， 气体是B.把纯碱及第Ⅲ步得到的晶体与某些固体酸性物质（如酒石酸）混合可制得发酵粉C.纯碱可广泛地用于玻璃、制皂、造纸、纺织等工业中D.第Ⅳ步操作是将晶体溶于水后加热、蒸发、结晶答案： 解析：第Ⅳ步操作是将晶体碳酸氢钠直接加热分解得到碳酸钠固体，故D错误。2.下列关于氨碱法（索氏）和联合制碱法（侯氏）说法错误的是 (      )A.两者的原料来源相同B.两者的生产原理相同C.两者对食盐利用率不同D.两者最终产品都是答案：  解析：氨碱法以食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气为原料，联合制碱法以食盐、氨和二氧化碳（其中二氧化碳来自合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气）为原料，两者的原料来源不相同，故A错误。评价检测·素养提升1.我国著名化学工业科学家侯德榜先生提出的“侯氏制碱法”大大推进了纯碱工业的发展，他的贡献之一是(     )A.找到了新型高效催化剂B.充分利用了能量C.提高了纯碱产品的纯度D.有效减少了环境污染答案：  解析：在得到碳酸钠的同时还得到一种副产物氯化铵，氯化铵是一种氮肥，可再利用，不是污染物，不会造成环境污染，侯氏制碱法没有找到新型高效催化剂，未充分利用能量，也未提高纯碱产品的纯度。2.（2021山东莱山一中高二月考）石灰石是一种化工原料，可以通过反应生成一系列物质，如图所示。下列说法正确的是(     )A.漂粉精是混合物，主要成分是氯化钙B.图示的制纯碱方法，要求先向饱和食盐水中通 ，然后通C.纯碱属于碱，俗名苏打D.制取纯碱和漂粉精所涉及的反应都是非氧化还原反应答案：  解析：漂粉精为氯气和氢氧化钙反应的产物， ，其主要成分是次氯酸钙和氯化钙，故A错误； 极易溶于水且溶液呈弱碱性，再通入 使 更多地转化为 ，故工业上，可先向饱和食盐水中通入 再通入 ，故B正确；纯碱是碳酸钠，俗名苏打，是由钠离子和碳酸根离子组成的化合物，属于盐，故C错误；向饱和食盐水中通 ，然后再通 制取碳酸氢钠，加热分解碳酸氢钠制取纯碱，反应中元素化合价不变化，属于非氧化还原反应，但制备漂粉精的反应中氯元素的化合价由0价变化为-1价、+1价，属于氧化还原反应，故D错误。3.（2021天津开发区一中高二月考）我国是一个用“碱”大国，侯氏制碱法为我们提供了很好的制“碱”的方法，其基本原理之一是 。下列有关说法正确的是(     )A.向饱和的食盐水中通气体的最合适的方法是先通 ，再通B.该反应能发生的原因是 的溶解度在几种物质中最小C.若制得的“碱”中混有少量的 ，应用过量的 溶液除去D.用酚酞试液可鉴别“碱”液和 溶液答案：  解析：向饱和食盐水中通入过量氨气，再通入过量的二氧化碳，氨气易溶于水，氨水能更好地吸收 ，故A错误；该反应能发生的原因是 的溶解度在几种物质中最小，故B正确；若制得的“碱”中混有少量的 ，应用加热的方法除去，故C错误；碳酸钠和碳酸氢钠的溶液都显碱性，遇到酚酞都显红色，无法鉴别，故D错误。4.（2021山东东营一中高二月考）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 和D.流程中的“一系列操作”包括通氨气、冷却、加食盐答案： 解析：氨气极易溶于水，二氧化碳溶解度不大，先通入氨气，溶液呈碱性，再通入二氧化碳，二氧化碳溶解量增大，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；操作Ⅰ和操作Ⅱ是相同的分离方法，为过滤操作，B错误；分析可知， 不可以在工艺流程中循环利用，C错误；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。5.（2020北京西城高二联考）纯碱是一种重要的化工原料。目前制碱工业主要有“氨碱法”（索尔维制碱法）和“侯氏制碱法”两种工艺，请按要求回答问题：（1）“氨碱法”产生大量 废弃物，请写出该工艺中产生 的化学方程式：  。（2）写出“侯氏制碱法”有关反应的化学方程式：  。（3） 是制碱工业的重要原料，“侯氏制碱法”与“氨碱法”中 的来源有何不同？  。（4）绿色化学的重要原则之一是提高反应的原子利用率。根据“侯氏制碱法”总反应，列出计算原子利用率的表达式：原子利用率=  。答案：（1）（2）（3）“氨碱法”的 来源于石灰石煅烧，“侯氏制碱法”的 来源于合成氨工业的废气（4）解析：（1） 是在氯化铵中加石灰乳时产生的。（3）“氨}碱法”的 来源于石灰石煅烧，“侯氏制碱法”的 来源于合成氨工业的废气。（4）由于总反应可看作： ，所以原子利用率 。6.“侯氏制碱法”为世界制碱工业作出了突出贡献。以 等为原料先制得 ，进而生产出纯碱。有关反应的化学方程式为 ； ；。Ⅰ.原理分析将 先后通入饱和食盐水中，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，在溶液中首先结晶析出Ⅱ.实验探究（1）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）。回答下列有关问题：①乙装置中的试剂是  ；②丁装置中稀硫酸的作用是  ；③实验结束后，分离出 晶体的操作是  （填分离操作的名称）。（2）另一位同学用图中戊装置（其他装置未画出）进行实验。①实验时，先从  管通入  气体，再从  管通入  气体。②有同学建议在戊装置的 导管下端连接己装置，理由是  。（3）请再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法：  。答案：Ⅰ. Ⅱ.（1）饱和碳酸氢钠溶液  ; 吸收未反应的  ; 过滤 （2）   ;   ;   ;   ; 增大 气体与溶液接触的面积，提高 在溶液中的吸收率 （3）往浓的烧碱溶液中通入过量 （或往饱和 溶液中通入过量 等）解析：Ⅱ.（1）①甲装置是 的发生装置，由于盐酸易挥发，故生成的 气体中会含有 气体，乙装置的作用是除去 中的 气体，所以乙装置中的试剂是饱和碳酸氢钠溶液。②丙是制备碳酸氢钠的发生装置，丁吸收多余的 ，防止其污染环境。③从溶液中分离出 晶体的方法是过滤。（2）①实验时必须先制取含氨的饱和 溶液，然后使之与 反应。因为 极易溶于水， 在水中的溶解度不大，故先从a导管通入 ，后从 导管通入 。②己装置中有多孔球泡，可增大 气体与溶液接触面积，提高 在溶液中的吸收率。（3）此题是开放性试题，制取少量碳酸氢钠的方法：①用碳酸氢铵与适量的饱和食盐水反应；②往浓的烧碱溶液中通入过量 ；③往饱和 溶液中通入过量 等。7.我国化学工业科学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，采用联合制碱法生产纯碱，生产流程可简要表示如下：有关信息：已知“沉淀池”中发生的化学反应方程式是 。上述生产纯碱的副产品 可作为化肥、电解液等。（1）上述流程中物质 的化学式为  。（2）为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，具体操作和现象是  。（3）某纯碱厂每天消耗 质量为 ，原料 的利用率按 计，则每天可生产 的质量为 。答案：（1）  （2）取少量试样溶解，加用硝酸酸化的硝酸银溶液，若有白色沉淀产生，说明含有氯化钠，否则，没有氯化钠 （3）106 解析：（1）在联合制碱法中二氧化碳是反应的原料同时也是反应的副产物，可以循环利用。（3）由 可知，生产的 中钠元素来自氯化钠，根据原子守恒可知： ，则每天可生产 的质量为 。