氯碱工业生产

氯碱化工生产专题

[教学背景]

【教学内容】“化工生产”是高三化学教材第五章非金属元素的最后一节内容，包括氯碱工业、联合制碱工业等。

【意义】化工生产与理论实际关系密切，教材安排非金属元素及其化合物、氧化还原反应、离子互换反应、动态平衡等化学原理、理论等内容之后学习化工生产，学生已有一定的知识储备，对所学知识起到一定的指导作用。学习化工生产为学生后续学习金属及其冶炼打下了基础，同时巩固了已有知识。

【课标要求】对于氯碱工业和联合制碱工业的教学，应注意对原理以及生产流程的设计、比较、改进等相关资源进行充分挖掘和展示，提高学生的感性认识和理论联系实际的能力，激发学生的兴趣和求知欲，落实情感态度和价值观的教育。注意从生产流程的角度引导学生认识化学理论与生产实际的关系，发挥理论的指导作用。引导学生用对比的方法，运用化工生产的基本原理分析索氏制碱法和候氏制碱法异同、氯碱工业的改进，根据实际生产进行相关的计算通过思考、互动，从中理解物料平衡、能源充分利用、绿色化学等思想，感受化学原理应用于实际化工生产的方法和科学技术的发展。

一．[教学目标]

知识与技能

1、氯碱工业原理（B）

2、索氏制碱法原理(A)

3、候氏制碱法和简单流程，并与索氏制碱法作对比(B)

4、化工生产的一些基本原理(充分利用原料、充分利用能量和保护环境)(A)

过程与方法

1、用对比的方法，分析索氏制碱法和候氏制碱法，感受化学原理应用于实际化工生产的方法；产生学习兴趣，懂得化学和生活改善、生产发展、社会进步的关系（A）

2、从电解池的改进中了解技术改革的基本思路，探讨氯碱工业发展的前景（A）

2、通过预习、查找资料等培养自学能力和批评精神（A）

情感态度价值观

1、体验化学工业发展和社会物质文明提高的关系，树立“绿色化学”思想，增强民族自豪感（A）

2、用“充分利用原料、充分利用能量和保护环境”原理分析化工生产优点和缺点，形成合理利用资源、保护环境，确立可持续发展的观念，增强社会责任感（A）

教学重点和难点

重点：氯碱工业原理、候氏制碱法原理

难点：①食盐水的精制、电解槽中离子隔膜的作用、②候氏制碱法生产流程及优点

[教学过程]

一、氯碱工业

1、电解饱和食盐水原理（包括电子流动、电极反应式、物质检验、总方程式、电解、与电解池比较）

问题：工业上是如何电解饱和食盐水的？相互之间会发生哪些反应？

工业生产中，为了避免产物氢气与氯气混合反应，需要使用特殊的电解槽——立式隔膜电解槽

2、氯碱工业装置——立式隔膜电解槽

电解原理示意图

氯碱工业主要产品——烧碱、氢气、氯气、盐酸

主要设备——阳离子交换膜电解槽。优点：阳极（金属钛）氯气不易腐蚀；阳离子交换膜隔成阴极室和阳极室，防止氢气氯气混合，防止氯气与氢氧化钠作用影响烧碱质量讨论：从电解饱和食盐水的电解槽流出的氯化钠和氢氧化钠的混合溶液，如何能取得

产品，又不浪费原料？

讨论：如何从食盐水中除去Mg2+、Ca2+、SO42-等杂质

饱和食盐水的精制，除去食盐中的Mg2+、Ca2+、SO42-——NaOH、Na2CO3、HCl

5、氯碱工业的特点

氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有两个突出问题：（l）能源消耗大:每生产1吨100％烧碱需耗电2580度，耗汽5吨，总能耗折标准煤

为 1.815吨。

（3）腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等均具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原料如石棉、汞和所产生的含氯废气都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向。

【例题1】氯碱厂电解饱和食盐水制取氢氧化钠的工艺流程示意图如下图。依据下图，完成下列填空：

（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极所发生反应的化学方程式为 与电源负极相连的电极附近，溶液的pH 值

（2）工艺食盐水含Mg 2+、Ca 2+等杂质，精制过程中发生反应的离子方程式为 （3）如果粗盐中SO 42-含量较高，必须添加钡试剂除去SO 42-，该钡试剂是 A. Ba(OH)2 B.Ba(NO 3)2 C. BaCl 2

(4)为了有效除去Mg 2+、Ca 2+、SO 42-，加入试剂的合理顺序为 A.先加NaOH ，后加Na 2CO 3，再加钡试剂 B.先加NaOH ，后加钡试剂，再加Na 2CO 3 C.先加钡试剂，后加NaOH ，再加Na 2CO 3

（5）脱盐工序中利用NaOH 和NaCl 在溶解度上的差异，通过 、冷却、 （填操作名称）除去NaCl

（6）在隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阳极区，为阳极区和阴极区，防止氯气与氢氧化钠反应；采用无隔膜电解冷的食盐水时，氯气与氢氧化钠充分接触，产物仅是氢氧化钠和氢气，相应的化学方程式为

【分析】本题利用氯碱厂电解饱和食盐水制取氢氧化钠知识重在对实验原理、装置原理与操作原理的训练。在除杂过程中应注意不能引入新的杂质。为了除尽杂质，所加的试剂必须过量，但是最后又不能引起新的杂质，所以前面引进的杂质要能被后面所加试剂除去，而最后加入过量试剂要不影响产品的纯度。

【答案】(1)2Cl －－2e

Cl 2↑ 升高 (2)Ca 2＋＋(CO 3)2CaCO 3

, Mg 2＋＋2OH ]M g (O H )2

(3)A/C (4)BC

(5) 蒸发 过滤

(6) NaCl ＋H 2O

NaClO ＋H 2↑

二、联合制碱工业

纯碱是一种基本化工原料，自然界提供廉价的石灰石和氯化钠（海水），怎样转化为碳酸钠呢。

1、索尔维法——氨碱法 原料：食盐、氨、二氧化碳

化学方程式：NH 3＋CO 2＋H 2

O NH4HCO3 NH4HCO3＋NaCl NaHCO 3↓＋NH 4Cl

2NaHCO 3Na 2CO 3↓＋CO 2↑＋H 2O

石灰石的作用：（1）提供二氧化碳，产生可循使用的氨气。

CaCO 3CaO ＋CO 2↑ CaO ＋H 2O Ca(OH)2

2NH 4CI ＋Ca(OH)2CaCl 2＋2NH 3↑＋2H 2O

2、候氏制碱法——联合制碱法 人物介绍——我国化学家侯德榜 原理：同索尔维法

原料不同：焦炭、空气、水和食盐

改进工艺：滤液不再加C a (O H )2回收NH 3，而是加固体食盐，使NH 4CI 析出，除去NH 4CI 后的母液循环使用制Na 2CO 3。不但使原料食盐得到充分利用，还生产出了化肥。

问题：原料不用石灰石，二氧化碳来源？氨不回收，氨来源？ 二氧化碳、氨均来自合成氨厂，故称为“联合制碱法”。

评价：从化工生产的基本原理的三个方面对氨碱法和联合制碱法进行评价。

高温

加热

3、归纳：氨碱法和联合制碱法比较

化工生产基本原理 氨碱法（索氏） 联合制碱法（候氏） （1）充分利用原料

食盐利用率低72%—74%， 大量氯化钙作为废液排出 原料利用率高 98%，

母液循环使用，同时生产碳酸钠和氯化铵两产品

（2）充分利用能量 有石灰窑、蒸氨塔等耗能设备，需燃料加热

利用合成氨放出热量，降低了耗能。节省石灰窑、蒸氨塔等设备，提高生产效率

（3）保护环境

大量氯化钙作为废液排出，产生污染 避免产生大量含氯化钙废液污染

优 点

原料低廉，成本降低，氨循环利用产品纯度高，制造步骤简单

原料利用率高，充分利用能量，几乎无污染，生产碳酸钠和氯化铵两产品，降低了生产成本 缺 点 氯化钠未能，耗能大，产生氯化钙废弃物等污染

不同之处 析出碳酸钠后母液中继续加入食盐，通入氨气，使氯化铵析出，得到碳酸钠和氯化铵两种产品

不同之处

①联合制碱法将氯化铵作为一种化工产品，不再生产氨循环使用；

②对分离出碳酸氢钠和氯化铵后含氯化钠的溶液循环使用。

【例题2】我国化学家侯德榜（右图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：

（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NH4Cl更多地析出

（b）使NaHCO3更多地析出

（c）使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度

【分析】候氏制碱法原理与索尔维法基本相同，不同之处，在析出碳酸钠后母液中继续加入食盐，通入氨气，使氯化铵析出，得到碳酸钠和氯化铵两种产品。评价一种化工产品生产的工艺过程，关键是要看能否利用价廉、易得的自然资源和基础化工原料来最大限度地获取目标产物，并从反应体系中提取有用的副产品或让部分未转化的原材料循环使用，尽量做到物尽其用。

【答案】（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）NH3＋CO2＋H2O＋NaCl→NH4Cl＋NaHCO3↓

或NH3＋CO2＋H2O→NH4HCO3NH4HCO3＋NaCl→NaHCO3↓＋NH4Cl

（3）CO2

（4）I 过滤

（5）稀硝酸和硝酸银溶液

（6）a c

（B）（本题共12分）

?Fe C6H5Br＋HBr↑

（1）C6H6 ＋Br2?→

（2）反应液微沸有红棕色气体充满A容器

（3）除去溶于溴苯中的溴

Br2＋2NaOH→NaBr＋NaBrO＋H2O

或3Br2＋6NaOH→5NaBr＋NaBrO3＋3H2O

（4）除去溴化氢气体中的溴蒸气

（5）石蕊试液，溶液变红色（其他合理答案都给分）

【训练题】

1、用石墨和铁作电极，电解饱和食盐水时，铁是（）

A、正极

B、负极

C、阴极

D、阳极

2、下列生产步骤，不是为提高原料转化率的是（）

A、合成氨生产时，在平衡混合气体中分离出氨气后，剩余气体循环使用

B、接触法制硫酸时，在灼烧硫铁矿时通入过量的空气

C、氨氧化制硝酸时，用过量的空气与氨气进行催化氧化

D、生产盐酸时，使氯气被包围在稍过量的氢气中燃烧

31、取一张用饱和NaCl 溶液浸湿的pH 试纸，两根铅笔芯作电极，接通 直流电源，一段时间后，发现电极与试纸接触处出现一个双色同心圆，内圆 为白色，外圆呈浅红色。则下列说法错误的是 A 、b 电极是阴极

B 、a 电极与电源的正极相连接

C 、电解过程中，水是氧化剂

D 、b 电极附近溶液的pH 变小

42、氯碱工业的原料食盐一般来自 ，粗盐中含有SO 42-、Mg 2+和Ca 2+等杂质离子，为保护电解槽在生产时不受损，必须除去后才能使用。选用的试剂为 、 、 和盐酸，为除净杂质离子，加入的试剂应稍过量，这又不可避免地引入过量试剂的杂质离子。这就依靠人们设计出合理的添加试剂的顺序，使过量试剂引入的杂质离子逐一地被清除（即前一种过量试剂的杂质离子被后一种试剂清除）。如果设计不合理，就做不到这一点。整个除杂质的过程中发生的离子反应有 。

53、电解饱和食盐水时，阳极上产生的是 ，阴极上产生 ，用石棉隔膜把阳极区与阴极区隔开是为了防止发生（用有关化学方程式表示） ， 。

64、工业制纯碱涉及到的部分反应如下：

NaCl ＋NH 3＋CO 2＋H 2O

NaHCO 3↓＋NH 4Cl ①

CaCO 3CaO ＋CO 2↑②

N 2＋3H 2

2NH 3 ③

CaO+2NH 4Cl CaCl 2＋2NH 3↑＋H 2O ④ 2NaHCO 3Na 2CO 3＋H 2O ＋CO 2↑⑤

（1）氨碱法和联合制碱法共同使用的反应原理有 ，属于氨碱法单独使用的反应原理有 ，属于联合制碱法单独使用的反应原理有 。

（2）碳酸氢钠分解产生的二氧化碳可循环使用，但必须要补充，补充的主要原因是 ，但实际生产中补充量超过理论上反应耗用量，可能的原因是 。 （3）氨碱法需补充的二氧化碳一定来自 ，那么联合制碱需补充的二氧化碳可能来自 。

（4）侯德榜法在虑去碳酸氢钠的母液中加入氯化钠并通氨气时，会析出氯化铵的原因是 ，比起氨碱法采用氨循环，联合制碱法的两个突出优点是 ， 。

75、仿照例子填写下表 工业生产 方法或装置 作用 发电 粉碎煤炭、鼓入高压空气 使煤炭充分燃烧，充分利用能源

加热

高温高压

催化剂

煅烧

热交换器

原料气循环使用

尾气吸收

8、利用天然气合成氨的工艺流程示意如下：

依据上述流程，完成下列填空：

（1）天然气脱硫时的化学方程式是

（2）n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol、产生H2mol（用含n的代数式表示）

（3）K2CO3（aq）和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是（多选扣分）（a）相似相溶原理（b）勒沙特列原理（c）酸碱中和原理

（4）由KHCO3分解得到的CO2可以用于

（写出CO2的一种重要用途）。

（5）整个流程有三处循环，一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3（aq）循环，请在上述流程图中标出第三处循环（循环方向、循环物质）。

【答案】

（1）3H2S＋2Fe(OH)3→Fe2S3＋6H2O、

（2）27n

（3）b（3分）

（4）生产纯碱

（5）

【拓展题】．

1、将磷肥生产中形成的副产物石膏(CaSO4·2H2O)转化为硫酸钾肥料和氯化钙水合物储热材料，无论从经济效益、资源综合利用还是从环境保护角度看都具有重要意义。以下是石膏转化为硫酸钾和氯化钙的工艺流程示意图。

CO H2 H2

3 4 KCl

(1)本工艺中所用的原料除CaSO4·2H2O、KCl外，还需要等原料。

(2)写出石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后发生反应的离子方程式：

________________ 。

(3)过滤I操作所得固体中，除CaCO3外还含有(填化学式)等物质，该固体可用作生产水泥的原料。

(4)过滤I操作所得滤液是(NH4)2SO4溶液。检验滤液中含有CO32 －的方法是：

0 ℃，可析出K2SO4晶体g。

(6)氯化钙结晶水合物(CaCl2·6H2O)是目前常用的无机储热材料，选择的依据是

a．熔点较低(29 ℃熔化) b．能导电c．能制冷d．无毒

(7)上述工艺流程中体现绿色化学理念的是：

_______________________________________________、

____________________________________________________。

2、最近，我国利用生产磷铵排放的废渣磷石膏制取硫酸并联产水泥的技术研究获得成功。

（1）操作a的名称是________，实验室中进行此操作的非玻璃仪器或用品有________________________；在实验室中操作b的名称是________________________。（2）装置a中生成两种酸式盐，它们的化学式分别是____________________________ 。（3）依题意猜测固体A中一定含有的物质的化学式是__________（结晶水部分不写）。（4）热交换器是实现冷热交换的装置。化学实验中也经常利用热交换来实现某种实验目的，气、液热交换时通常使用的仪器是_____________。

（5）制硫酸所产生的尾气除了含有N2、O2外，还含有SO2、微量的SO3和酸雾。能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是。（选填字母）

A. NaOH溶液、酚酞试液

B. KMnO4溶液、稀H2SO4

C.碘水、淀粉溶液

D.氨水、酚酞试液

【答案】

【训练题】

1、C

2、D

3、D

4、海水，氯化钡、氢氧化钠、碳酸钠，方程式略

5、氯气，氢气和氢氧化钠，方程式略

6、（1）①⑤，②④，③.

（2）生产过程中CO2有一半转化成碳酸根被产品碳酸钠所带走（碳酸根来自CO2），所以要补充。在生产过程中还有损耗。

（3）碳酸钙的分解；合成氨生产中用水煤气法制原料氢气时的付产品。

（4）加入氯离子并使NH4+浓度增大，使溶解平衡移动；氯化钠的利用率大为提高，获取了有用产品氯化铵。

7、

硫酸生产或合成氨充分利用了反应中产生的能量合成氨充分利用可逆反应中未反应的原料气硫酸或硝酸生产防止污染环境

【拓展题】

1、(1)CaCO3；NH3；H2O。

(2)CaSO4＋CO32 －= CaCO3↓＋SO42 －。

(3)CaSO4。

(4)滤液中滴加盐酸产生气泡。

(5)54 g。

(6)a；d。

(7)碳酸钙用于制水泥原料、硫酸钙，氯化钾转化为硫酸钾和氯化钙，氨在工艺中循环使用等(原子利用率高，没有有害物质排放到环境中)

2、（1）过滤，铁架台（含铁圈）、滤纸，蒸发浓缩、冷却结晶；

（2）NH4H2PO4(NH4)2HPO4

（3）CaSO4（4）冷凝管（5）BC

2008年11月28日