【閱前提示】本篇出自『數理化自學(xué)叢書(shū)6677版』，此版叢書(shū)是“數理化自學(xué)叢書(shū)編委會(huì )”于1963-1966年陸續出版，并于1977年正式再版的基礎自學(xué)教材，本系列叢書(shū)共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當然由于本書(shū)是大半個(gè)世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書(shū)卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫(xiě)的備注。

【山話(huà)嵓語(yǔ)】『數理化自學(xué)叢書(shū)』其實(shí)還有新版，即80年代的改開(kāi)版，改開(kāi)版內容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎自學(xué)內容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和計算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會(huì )再版80年代改開(kāi)版。我認為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數理化自學(xué)叢書(shū)6677版』上傳成文字版。??

第二章堿金屬??

【資料圖】

§2-5碳酸鈉（純堿）的工業(yè)制法

【01】工業(yè)上生產(chǎn)碳酸鈉（純堿）大都采用“氨堿法”【這個(gè)生產(chǎn)方法是比利時(shí)工程師蘇爾維于1861年首先提出的，所以也叫蘇爾維法】?，F在我們把這個(gè)方法的化學(xué)原理、設備、生產(chǎn)過(guò)程和優(yōu)缺點(diǎn)等分段講述于下：

化學(xué)原理

【02】從碳酸鈉的分子式Na?CO?來(lái)看，它是由鈉離子和碳酸根離子組成的電解質(zhì)。因此，制取它最理想的方法是，用兩種能提供這些離子的物質(zhì)為原料，經(jīng)復分解反應而得到。食鹽NaCI和石灰石CaCO?似乎是符合上述要求的最便宜的原料。但是，石灰石不溶于水，不能和食鹽直接發(fā)生復分解反應生成碳酸鈉。事實(shí)上，自然界里也沒(méi)有其他可溶性的碳酸鹽可作為原料的。因此必須先制成一種“中間產(chǎn)物”作為過(guò)渡。反應原理是這樣的：

【03】(1)把石灰石在高溫下煅燒，分解得到二氧化碳的生石灰：

【04】(2)把二氧化碳通入飽和的氨水中，使生成碳酸氫銨的溶液：

【05】(3)碳酸氫銨溶液跟食鹽溶液起復分解反應，產(chǎn)生碳酸氫鈉沉淀作為一個(gè)中間產(chǎn)物：

【06】(4)然后，把溶液過(guò)濾得到碳酸氫鈉固體，再在高溫下煅燒，分解成碳酸鈉：

【07】實(shí)際上，反應(2)和(3)是在同一溶液中連續進(jìn)行的，它們是一組連續的可逆反應。NaHCO?成沉淀析出是使這兩個(gè)可逆反應的平衡向前移動(dòng)的原因，也是氨堿法成功的關(guān)鍵。所以必須選擇和采用有利于形成NaHCO?沉淀的條件和措施。

【08】首先，我們注意到溫度：降低溫度有利于CO?氣體和氨氣的溶解，從而增加反應物的濃度，也就促使形成NH?HCO?的平衡向前移動(dòng)，同時(shí)也就接著(zhù)有利于反應(3)的形成NaHCO?的平衡的向前移動(dòng)。當然在反應(3)中NaHCO?本身的溶解度也因溫度降低而變小，使它容易從溶液中析出，結果亦使反應(3)的平衡向前移動(dòng)，從而影響反應(2)的平衡也向前移動(dòng)。但是，溫度降低也會(huì )影響反應(3)中的其他鹽類(lèi)的溶解度下降。所以我們應該選擇適當的溫度，在這個(gè)溫度下，既使NaHCO?的溶解度較小，而且和其他鹽類(lèi)的溶解度比較，差別又較大。這樣，就有利于NaHCO?的沉淀分離。實(shí)用上，一般選擇30~35℃的溫度。

【09】其次，我們再來(lái)研究溶液的濃度問(wèn)題。我們知道，反應物的濃度越大，平衡越向前移動(dòng)。所以原則上，應設法使溶液對各種溶質(zhì)來(lái)說(shuō)都達飽和的程度。但是，我們也應注意到CO?和NH?的量的比數關(guān)系。如果NH?過(guò)量，反應就不是如(2)那樣，而是：

【10】這里Na?CO?的溶解度較NaHCO?大得多，它不會(huì )生成沉淀，反應最后達到平衡而不再前進(jìn)了。因此，.必須使用過(guò)量CO?，使溶液中形成HCO??根離子，而不是形成CO???根離子，這是這個(gè)方法的成功的重要關(guān)鍵所在！實(shí)用上，先在飽和食鹽水溶液中通入氨氣達飽和，然后降溫到30~35℃再通入過(guò)量的CO?氣體，以完成反應(2)和(3)。

【11】此外，我們再來(lái)談?wù)劙痹诜磻^(guò)程中的作用問(wèn)題。

【12】從反應(2)和(3)來(lái)看，NH?變成了NH?Cl。如果把過(guò)濾除去NaHCO?沉淀后的母液加入石灰乳Ca(OH)?，就能發(fā)生下列反應而重新得到NH?：

【13】這樣得到的氨又可重復使用，在理論上沒(méi)有損耗.

【14】當然，在實(shí)用上，氨是或多或少要損耗一些的。所以需要隨時(shí)補充。補充用的和過(guò)程開(kāi)始時(shí)所需要的適量氨，一般是用銨鹽（例如NH?Cl，(NH?)?SO?等）跟石灰乳反應而制得。當然也可用氨水或液態(tài)氨。

【15】至于石灰乳的來(lái)源也是本工業(yè)所現成的。就是反應(1)的另一種產(chǎn)物CaO跟水反應而得：

【16】到此，我們可以概括起來(lái)說(shuō)：生產(chǎn)純堿的原料是食鹽NaCl和石灰石CaCO?；產(chǎn)品除純堿Na?CO?外，還有一種氯化鈣CaCl?，它是原料中的另外兩種離子所組成的物質(zhì)。由于原料不能直接反應，所以需要利用氨的作用，在一定條件下，通過(guò)一系列的反應過(guò)程才能制得純堿。過(guò)程中生成的碳酸氫鈉是一種中間產(chǎn)物，它的形成沉淀析出是這個(gè)方法成功的關(guān)鍵。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程

【17】根據上述的基本原理，工業(yè)上用氨堿法生產(chǎn)純堿時(shí)，主要分成兩個(gè)階段：(1)制成碳酸氫鈉；(2)煅燒中間產(chǎn)物制成純堿。流程圖如圖2·6所示.分述如下：

1、碳酸氫鈉的生成

【18】先用泵把提純的飽和食鹽溶液提升到高位槽儲存，從那里再自動(dòng)地流入吸氨塔。當飽和食鹽溶液從吸氨塔頂上淋下時(shí)，把干燥的氨氣由塔底通入，這樣用逆流原理讓氨氣溶解在食鹽溶液中達飽和程度。當氨溶解于水時(shí)，放出熱量，溶液的溫度升高，不利于氨氣的溶解（氣體溶解度跟溫度成反比），因此在吸氨塔底部有冷卻裝置，能把溶液冷卻到25℃左右。在吸氨塔里，一小部分氨氣跟水反應，生成氫氧化銨，而大部分氨氣以溶解形式存在。

【19】從吸氨塔底部出來(lái)的溶液一一稱(chēng)作氨化鹽水，用泵移到碳酸塔的頂部，從那里淋下來(lái)，同時(shí)從塔底通入過(guò)量二氧化碳，在塔里進(jìn)行反應。開(kāi)始，氨氣、水跟二氧化碳反應生成碳酸氫銨，由于這個(gè)反應放熱會(huì )使溶液溫度升高，因此碳酸塔下部也有冷卻裝置，使溫度穩定在30~35℃間，這時(shí)碳酸氫銨立即跟氯化鈉反應，成碳酸氫鈉晶體析出。原理中的反應(2)和(3)合并成：

【20】從碳酸塔底部流出的懸浮有碳酸氫鈉晶體的溶液，送入過(guò)濾機中進(jìn)行分離。得到的晶體就是碳酸氫鈉；母液里含有氯化銨和沒(méi)有起反應的氯化鈉（約為原料的30%）。

2、煅燒碳酸氫鈉使分解生成碳酸鈉

【21】從過(guò)濾機得到的碳酸氫鈉晶體送入轉爐里加熱煅燒。爐子不斷地轉動(dòng)，翻動(dòng)晶體，這樣可防止加熱不均勻而發(fā)生粘結現象。碳酸氫鈉慢慢分解生成碳酸鈉，分解時(shí)放出的二氧化碳可再通入碳酸塔循環(huán)使用。

氨堿法的優(yōu)缺點(diǎn)

【22】這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是原料（食鹽和石灰石）成本低，產(chǎn)品碳酸鈉的純度高（雜質(zhì)大部在母液里），氨氣和部分二氧化碳可循環(huán)使用，制造步驟簡(jiǎn)單，適合于大規模生產(chǎn)。但它也有若干缺點(diǎn)：最大的缺點(diǎn)是沒(méi)有充分利用物資，在兩種主要原料里，只利用了食鹽中的鈉離子和石灰石中的碳酸根離子，而全部氯離子和鈣離子沒(méi)有利用，它們結合成氯化鈣。處理這樣得到的含雜質(zhì)很多的氯化鈣稀溶液就成為很大負擔，因為要提純它是很困難的，實(shí)際用途也不大。如果把大量氯化鈣排入河流中，會(huì )影響?hù)~(yú)類(lèi)的生存和繁殖；如把它堆放起來(lái)，不僅占地很大，而且氯化鈣有吸濕性，堆放的地方將成為泥濘不干的廢墟。并且，食鹽的利用率也很低，只有70%轉化，30%隨CaCl?溶液損失了。此外在母液里含有大量氯化銨沒(méi)有完全被回收。即使從回收的部分來(lái)看也并不很合理。我們知道，氯化銨是一種很好的氮肥（第二冊§5-8）【山注，化2-5-08第07段，傳送門(mén)CV21782790】，它比硫酸銨（俗稱(chēng)肥田粉）的肥效還要高，不會(huì )增加土壤的酸性，現在卻把已經(jīng)制成的氮肥回收成氨氣，這樣的生產(chǎn)是不合理的。

【23】我國的科學(xué)家和工人，經(jīng)過(guò)多年的苦心研究，創(chuàng )立了聯(lián)合制堿法【山注，此聯(lián)合制堿法乃是由侯德榜先生主導研發(fā)成功，因此其又被稱(chēng)為“侯氏聯(lián)合制堿法”】。它應用了氨堿法的優(yōu)點(diǎn)，克服了氨堿法的缺點(diǎn)，不僅充分利用了物資，而且同時(shí)得到兩種產(chǎn)品——純堿和氯化銨。

聯(lián)合制堿法的基本原理

【24】在制純堿部分和氨堿法相同，主要區別是氨的來(lái)源不同，它不是從氯化銨回收氨氣，而由合成氨廠(chǎng)直接供給。這里合成氨所需要的氮氣和氫氣是從發(fā)生爐煤氣和水煤氣制?。?/p>

【25】同時(shí)又有大量二氧化碳生成，可以供給制堿法作原料，這樣就不需要用石灰石作原料來(lái)制取二氧化碳，因此降低了制純堿的成本，也簡(jiǎn)化了操作過(guò)程。方法中又設法讓母液里的氯化銨結晶出來(lái)，把晶體分離就是氮肥，于是母液還剩下氯化鈉可循環(huán)使用，這樣可以充分利用物質(zhì)。

習題2-5

1、用化學(xué)方程式表示氨堿法制純堿過(guò)程的全部化學(xué)反應（如果是電解質(zhì)之間的反應用離子方程式表示）。并說(shuō)明反應條件。

2、畫(huà)出氨堿法制純堿的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖，并回答下列問(wèn)題：

(1)寫(xiě)出各設備的名稱(chēng)；

(2)說(shuō)明進(jìn)入和流出各設備的物料；

(3)寫(xiě)出在各個(gè)設備里進(jìn)行的化學(xué)反應。

3、氨堿法制純堿為什么不用碳酸銨跟氯化鈉制取碳酸鈉，而必須先制成中間產(chǎn)物碳酸氫鈉，然后再制取碳酸鈉？

4、氨在制純堿過(guò)程里的作用怎樣？是怎樣循環(huán)利用的？

5、氨堿法制堿的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？還存在哪些主要缺點(diǎn)？

6、如果碳酸鈉里含有少量碳酸氫鈉，怎樣把它除去？

7、某制堿廠(chǎng)用氨堿法生產(chǎn)純堿，每日產(chǎn)量100噸，問(wèn)在理論上(1)需要多少?lài)嵤雏}，如果利用率是66%；(2)需要多少?lài)嵤沂?，如果石灰石含碳酸鈣95%（假定轉爐里放出的二氧化碳全部循環(huán)利用）?！?1)167.3噸，(2)99.3噸】

關(guān)鍵詞： 碳酸氫鈉 二氧化碳 向前移動(dòng)