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

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎(chǔ)自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇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遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書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”【這個生產(chǎn)方法是比利時工程師蘇爾維于1861年首先提出的，所以也叫蘇爾維法】?，F(xiàn)在我們把這個方法的化學原理、設(shè)備、生產(chǎn)過程和優(yōu)缺點等分段講述于下：

化學原理

【02】從碳酸鈉的分子式Na?CO?來看，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。事實上，自然界里也沒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中間產(chǎn)物：

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

【07】實際上，反應(2)和(3)是在同一溶液中連續(xù)進行的，它們是一組連續(xù)的可逆反應。NaHCO?成沉淀析出是使這兩個可逆反應的平衡向前移動的原因，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，同時也就接著有利于反應(3)的形成NaHCO?的平衡的向前移動。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(jié)果亦使反應(3)的平衡向前移動，從而影響反應(2)的平衡也向前移動。但是，溫度降低也會影響反應(3)中的其他鹽類的溶解度下降。所以我們應該選擇適當?shù)臏囟?，在這個溫度下，既使NaHCO?的溶解度較小，而且和其他鹽類的溶解度比較，差別又較大。這樣，就有利于NaHCO?的沉淀分離。實用上，一般選擇30~35℃的溫度。

【09】其次，我們再來研究溶液的濃度問題。我們知道，反應物的濃度越大，平衡越向前移動。所以原則上，應設(shè)法使溶液對各種溶質(zhì)來說都達飽和的程度。但是，我們也應注意到CO?和NH?的量的比數(shù)關(guān)系。如果NH?過量，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，它不會生成沉淀，反應最后達到平衡而不再前進了。因此，.必須使用過量CO?，使溶液中形成HCO??根離子，而不是形成CO???根離子，這是這個方法的成功的重要關(guān)鍵所在！實用上，先在飽和食鹽水溶液中通入氨氣達飽和，然后降溫到30~35℃再通入過量的CO?氣體，以完成反應(2)和(3)。

【11】此外，我們再來談談氨在反應過程中的作用問題。

【12】從反應(2)和(3)來看，NH?變成了NH?Cl。如果把過濾除去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，在理論上沒有損耗.

【14】當然，在實用上，氨是或多或少要損耗一些的。所以需要隨時補充。補充用的和過程開始時所需要的適量氨，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】至于石灰乳的來源也是本工業(yè)所現(xiàn)成的。就是反應(1)的另一種產(chǎn)物CaO跟水反應而得：

【16】到此，我們可以概括起來說：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，通過一系列的反應過程才能制得純堿。過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方法成功的關(guān)鍵。

工業(yè)生產(chǎn)過程

【17】根據(jù)上述的基本原理，工業(yè)上用氨堿法生產(chǎn)純堿時，主要分成兩個階段：(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，從那里再自動地流入吸氨塔。當飽和食鹽溶液從吸氨塔頂上淋下時，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，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】從吸氨塔底部出來的溶液一一稱作氨化鹽水，用泵移到碳酸塔的頂部，從那里淋下來，同時從塔底通入過量二氧化碳，在塔里進行反應。開始，氨氣、水跟二氧化碳反應生成碳酸氫銨，由于這個反應放熱會使溶液溫度升高，因此碳酸塔下部也有冷卻裝置，使溫度穩(wěn)定在30~35℃間，這時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，送入過濾機中進行分離。得到的晶體就是碳酸氫鈉；母液里含有氯化銨和沒有起反應的氯化鈉（約為原料的30%）。

2、煅燒碳酸氫鈉使分解生成碳酸鈉

【21】從過濾機得到的碳酸氫鈉晶體送入轉(zhuǎn)爐里加熱煅燒。爐子不斷地轉(zhuǎn)動，翻動晶體，這樣可防止加熱不均勻而發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。碳酸氫鈉慢慢分解生成碳酸鈉，分解時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

【22】這個方法的優(yōu)點是原料（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，制造步驟簡單，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。但它也有若干缺點：最大的缺點是沒有充分利用物資，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有利用，它們結(jié)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，實際用途也不大。如果把大量氯化鈣排入河流中，會影響魚類的生存和繁殖；如把它堆放起來，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(zhuǎn)化，30%隨CaCl?溶液損失了。此外在母液里含有大量氯化銨沒有完全被回收。即使從回收的部分來看也并不很合理。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CV21782790】，它比硫酸銨（俗稱肥田粉）的肥效還要高，不會增加土壤的酸性，現(xiàn)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】我國的科學家和工人，經(jīng)過多年的苦心研究，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，因此其又被稱為“侯氏聯(lián)合制堿法”】。它應用了氨堿法的優(yōu)點，克服了氨堿法的缺點，不僅充分利用了物資，而且同時得到兩種產(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(qū)別是氨的來源不同，它不是從氯化銨回收氨氣，而由合成氨廠直接供給。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制取二氧化碳，因此降低了制純堿的成本，也簡化了操作過程。方法中又設(shè)法讓母液里的氯化銨結(jié)晶出來，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、用化學方程式表示氨堿法制純堿過程的全部化學反應（如果是電解質(zhì)之間的反應用離子方程式表示）。并說明反應條件。

2、畫出氨堿法制純堿的生產(chǎn)流程簡圖，并回答下列問題：

(1)寫出各設(shè)備的名稱；

(2)說明進入和流出各設(shè)備的物料；

(3)寫出在各個設(shè)備里進行的化學反應。

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)點是什么？還存在哪些主要缺點？

6、如果碳酸鈉里含有少量碳酸氫鈉，怎樣把它除去？

7、某制堿廠用氨堿法生產(chǎn)純堿，每日產(chǎn)量100噸，問在理論上(1)需要多少噸食鹽，如果利用率是66%；(2)需要多少噸石灰石，如果石灰石含碳酸鈣95%（假定轉(zhuǎn)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