Question

13．某化工廠制取純堿的流程如圖所示：

（1）流程中先通NH₃后通CO₂的原因是氨氣在水中溶解度大，先通氨氣，可以吸收更多的二氧化碳，提高生成HCO₃^-的濃度，有利于促進(jìn)更多的NaHCO₃析出；生成沉淀A的化學(xué)方程式為NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NH₄Cl+NaHCO₃↓．
（2）流程中可循環(huán)利用的物質(zhì)為CO₂、NaCl．不用其他試劑，檢查流程中副產(chǎn)品F是否純凈的操作是取少量氯化銨產(chǎn)品于試管底部，加熱，若試管底部無殘留物，表明氯化銨產(chǎn)品純凈．
（3）合成氨工廠在900～1000℃時，使用天然氣與水蒸氣在催化劑（Al₂O₃+Ni）作用下獲得合成氨的原料氣之一氫氣，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH₄+H₂O$\frac{\underline{\;\;\;\;\;Al_{2}O_{3}+Ni\;\;\;\;\;}}{900～1000℃}$CO₂+4H₂或CH₄+H₂O$\frac{\underline{\;\;\;\;\;Al_{2}O_{3}+Ni\;\;\;\;\;}}{900～1000℃}$CO+3H₂．
（4）合成氨工業(yè)實際選擇的條件是B（填字母代號）．
    A.200℃，10MPa          B.400℃，20MPa          C.800℃，5MPa
（5）在該流程中，每使用11.70t食鹽最終得到10.07t純堿，則NaCl的利用率為95%．

Answer 1

分析 該流程為侯氏制堿法，以氯化鈉，氨氣，二氧化碳，水為原料，向飽和食鹽水中通入足量氨氣至飽和，然后在加壓下通入CO₂（由CaCO₃煅燒而得），因NaHCO₃溶解度較小，結(jié)晶析出，發(fā)生的反應(yīng)為：
NH₃+CO₂+H₂O═NH₄HCO₃，NaCl+NH₄HCO₃═NaHCO₃↓+NH₄Cl
將析出的NaHCO₃晶體煅燒，即得Na₂CO₃：2NaHCO₃=Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O
根據(jù)NH₄Cl 在常溫時的溶解度比NaCl大，而在低溫下卻比NaCl溶解度小的原理，在278K～283K（5℃～10℃）時，向母液中加入食鹽細(xì)粉，而使NH₄Cl 單獨結(jié)晶析出供做氮肥．
（1）氨氣在水溶液中溶解度很大，氯化鈉溶液吸收氨氣后能溶解更多的二氧化碳，根據(jù)反應(yīng)原理寫方程．
（2）結(jié)合原理與圖示，可循環(huán)的物質(zhì)為CO₂、NaCl；F為氯化銨，根據(jù)其受熱易分解的性質(zhì)驗證．
（3）根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，化合價有升價就有降價，推測產(chǎn)物得方程式．
（4）根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素：溫度、濃度、壓強、催化劑、接觸面積；影響化學(xué)平衡移動的因素：溫度、濃度、壓強等知識結(jié)合實際工業(yè)生產(chǎn)來回答．
（5）根據(jù)反應(yīng)方程式，由氯化鈉與純堿的相對質(zhì)量計算氯化鈉充分利用時生成的純堿的質(zhì)量，再根據(jù)實際生成純堿計算氯化鈉的利用率．

解答 解：（1）NH3在NaCl溶液中溶解度很大，CO2在氨化的溶液中溶解度大，先通NH3后通CO2可形成高濃度的HCO3-．若先通CO2再通NH3，由于CO2在NaCl溶液中溶解度很小，盡管NH3在碳酸化的溶液中溶解度大，也不能形成高濃度的HCO3-，根據(jù)反應(yīng)原理，NH₃+CO₂+H₂O═NH₄HCO₃，NaCl+NH₄HCO₃═NaHCO₃↓+NH₄Cl，所以生成沉淀的方程為NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NH₄Cl+NaHCO₃↓．
故答案為：氨氣在水中溶解度大，先通氨氣，可以吸收更多的二氧化碳，提高生成HCO₃^-的濃度，有利于促進(jìn)更多的NaHCO₃析出；NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NH₄Cl+NaHCO₃↓．
（2）反應(yīng)需要二氧化碳和氯化鈉，生成的碳酸氫鈉受熱分解得碳酸鈉、二氧化碳（C），二氧化碳可循環(huán)使用，向母液B加入食鹽細(xì)粉，而使NH₄Cl 結(jié)晶析出，并得濾液氯化鈉，可循環(huán)使用；F為NH₄Cl，氯化銨受熱易分解，若分解完全，即產(chǎn)品全為氯化銨．
故答案為：CO₂、NaCl；取少量氯化銨產(chǎn)品于試管底部，加熱，若試管底部無殘留物，表明氯化銨產(chǎn)品純凈．
（3）合成氨工廠在900～1000℃時，使用天然氣與水蒸氣在催化劑（Al₂O₃+Ni）作用下獲得合成氨的原料氣之一氫氣，根據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律，氫元素化合價降低，則碳元素化合價升高，可為CO2或者CO．
故答案為：CH₄+H₂O$\frac{\underline{\;\;\;\;\;Al_{2}O_{3}+Ni\;\;\;\;\;}}{900～1000℃}$CO₂+4H₂或CH₄+H₂O$\frac{\underline{\;\;\;\;\;Al_{2}O_{3}+Ni\;\;\;\;\;}}{900～1000℃}$CO+3H₂
（4）工業(yè)上合成氨的生產(chǎn)中采用400～500℃的高溫，原因之一是考慮催化劑的活性，其二是為了提高反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡的時間；采用30～50MPa的壓強，是為了保證較高的反應(yīng)速率和較高的產(chǎn)率以及設(shè)備的耐壓程度來考慮的．在該條件下催化劑的活性最大，反應(yīng)速率快，同時原料的轉(zhuǎn)化率較高．
故答案為：B    
（5）根據(jù)化學(xué)方程式，氯化鈉與純堿滿足2NaCl～Na₂CO₃
                                                             2×58.5         106
                                                            11.7t→10.6t，即氯化鈉充分利用時生成純堿10.6t，而實際生成純堿10.07t，氯化鈉的利用率為：$\frac{10.07}{10.6}$×100%=95%．
故答案為：95%．

點評 本題是一道有關(guān)工業(yè)制純堿知識的一道綜合實驗題目，考查學(xué)生分析和解決問題的能力，掌握侯氏制堿法的原理是解題的關(guān)鍵，題目難度中等