研究性学习侯氏制碱法

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1、All By Our Team !第 1 页侯氏制碱法小组成员：小组成员： 荣宇阳、徐慧敏、孔德洲、魏晶霞、张新源、陆青青 探究原因：探究原因：近来历史课一直在讲我国民族资本主义在近代的艰难起步，尤以化工的发 展 为重，于是我联系了一些对化学感兴趣的孩子们一同来研究侯氏制碱法中 的 奥妙。 探究目的：探究目的：1. 结合历史与化学，在学科融合上更进一步。 2. 从化学工业上来看我国十九世纪末二十世纪初民族资本主义的艰难起步 与发展 3. 加强对于复分解反应的认识。 4. 以侯氏制碱和索维尔制碱这两种不同的方式认识化工生产时对生产过程 和废料的处理。 5. 理解：科技是第一生产力！科技是第一生产

2、力！ 探究过程：探究过程：资料寻查：历史背景（张新源，孔德洲） Page 2理论基础：方法比较（陆青青，魏晶霞）Page 4行动验证：实验制碱（徐慧敏，荣宇阳）Page 5化学历史：活动反思（荣宇阳）Page 7All By Our Team !第 2 页资料寻查：历史背景资料寻查：历史背景（张新源、孔德洲）（张新源、孔德洲）索维尔索维尔 欧内斯特索尔维(E.Ernest Solvay 1838-1922)，比利时工业化学家。 1860 年索尔维到其叔父的煤气厂工作，研究煤气废液的用途。他想从废液中提 取碳酸铵，但实验失败。1861 年他又用氨溶液、二氧化碳与食盐混合制成碳酸 钠（称为氨碱法）

3、 ，但不知此反应已为前人发现过了。当年他获得比利时政府给 他的专利，在布鲁塞尔开设一个小厂从事试验。1863 年创办一个正式的制碱工 厂，实现了氨碱法的工业化，使制碱生产实现了连续化，食盐的利用率也提高 了很多。产品由于质量纯净,而被称为纯碱。此时他才知道以前已有人取得氨碱 法制碱的专利权，但均未能实现工业生产。索尔维制碱法在世界上获得迅速发 展，到 20 世纪 20 年代，已完全取代吕布兰制碱法。 氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率得到提高，产品质量纯净， 因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1873年哈琴森公司改组为卜 内门公司，建立了大规模生产纯碱的工厂，后来，法、德、美

4、等国相继建厂。 这些国家发起组织索尔维公会，设计图纸只向会员国公开，对外绝对保守秘密。 凡有改良或新发现，会员国之间彼此通气，并相约不申请专利，以防泄露。除 了技术之外，营业也有限制，他们采取分区售货的办法，例如中国市场由英国 卜内门公司独占。由于如此严密的组织方式，凡是不得索尔维公会特许权者， 根本无从问津氨碱法生产详情。多少年来，许多国家要想探索索尔维法奥秘的 厂商，无不以失败而告终。 1911年10月，索尔维邀请包括居里夫人在内的当时世界上杰出的科学家们， 在布鲁塞尔举行了国际性的索尔维会议，探讨物理学和化学发展中尚待解决的 重大问题。后定3年召开一次，并分为索尔维物理学会议和索尔维化学

5、会议。索 尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家 财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是 提供了召开世界最高水平学术会议“索尔维会议”的经费。第一届索尔维会 议于1911年在布鲁塞尔召开，后来虽然一度被第一次世界大战所打断，但从 1921年开始又重新恢复，定期3年举行一届。到了1927年，这已经是第五届索 尔维会议了，也是最著名的一次索尔维会议 All By Our Team !第 3 页侯德榜侯德榜 第一次世界大战期间，欧亚交通梗塞。由于我国所需纯碱都是从英国进口 的，一时间，纯碱非常缺乏，一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。191

6、7 年， 爱国实业家范旭东在天津塘沽创办了永利碱业公司,决心打破洋人的垄断，生产 出中国的纯碱。他聘请正在美国留学的侯德榜先生出任总工程师。1920 年，侯德榜先生毅然回国任职。他全身心地投入制碱工艺和设备的改 进上，终于摸索出了索尔维法的各项生产技术。1924 年 8 月,塘沽碱厂正式投产。 1926 年，中国生产的“红三角”牌纯碱在美国费城的万国博览会上获得金质奖 章。产品不但畅销国内，而且远销日本和东南亚。1937 年日本帝国主义发动了侵华战争，他们看中了南京的硫酸铵厂，为此 想收买侯德榜，但是遭到侯德榜的严正拒绝。为了不使工厂遭受破坏，他决定 把工厂迁到四川，新建一个永利川西化工厂。

7、他发现原料中各有一半的比分没有利用上，只用了食盐中的钠和石灰中碳 酸根，二者结合才生成了纯碱。食盐中另一半的氯和石灰中的钙结合生成了氯 化钙，这个产物都没有利用上。那么怎祥才能使另一半成分变废为宝呢？他想 呀想，设计了好多方案，但是一都被推翻了。后来他终于想到，能否把索尔 维制碱法和合成氨法结合起来，也就是说，制碱用的氨和二氧化碳直接由氨厂 提供，滤液中的氯化铵加入食盐水，让它沉淀出来。这氯化铵既可作为化工原 料，又可以作为化肥，这样可以大大地提高食盐的利用率，还可以省去许多设 备，例如石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等。设想有了，能否成功还要靠实践。于是 地又带领技术人员，做起了实验。一直进行了 50

8、0 多次试验，还分析了 2000 多 个样品，才把试验搞成功，使设想成为了现实。 这个制碱新方法被命名为“联合制碱法” ，它使盐的利用率从原来的 70%一 下子提高到 96%。此外，污染环境的废物氯化钙成为对农作物有用的化肥 氯化铵，还可以减少 1/3 设备，所以它的优越性大大超过了索尔维制碱法，从 而开创了世界制碱工业的新纪元。All By Our Team !第 4 页理论基础：方法比较理论基础：方法比较（陆青青、魏晶霞）（陆青青、魏晶霞）索维尔制碱法索维尔制碱法 反应步骤为：NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4ClCaCO3=CaO+CO2 2NH4Cl+CaO+2H2

9、O=2NH3+CaCl2+2H2O2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O 反应生成的 CO2 和 NH3 可重新作为原料使用。总反应式为：CaCO3+2NaCl+H2O=CaCl2+2NaHCO3 不难发现这里有个硬伤，由于 Ca2+是有毒的，而在生产中会不可避免的产 生 Ca2+废料，这就对环境造成了污染，在这个讲究“和谐”的国度，我们可不 希望这就被倒进河水里。侯氏制碱法侯氏制碱法 第一步：氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵。 第二步：碳酸氢铵与氯化钠反应生成一分子的氯化铵和碳酸氢钠沉淀，碳 酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度较小。 根据 NH4Cl 在常温时的溶解度 比 Na

10、Cl 大，而在低温下却比 NaCl 溶解度小的原理，在 278K 283K(5 10 ) 时，向母液中加入食盐细粉，而使 NH4Cl 单独结晶析出供 做氮肥。 原理 NH3+H2O+CO2=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO32NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2 除了对 NaCl 的利用率不同，侯氏制碱法的另一个特点还在于产生的“附带 产品” ，侯氏制碱法生成肥料（NH4Cl） ，而索维尔式却产生了有毒离子（Ca2+） 。比较比较 相比之下，侯氏制碱法省事很多，除去 了诸如石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等原有设 备另外还将氨厂和碱厂联合起来，使用氨 厂的原料

11、制碱，同时生产农业肥料，在制 碱行业属于质的飞跃。All By Our Team !第 5 页行动验证：实验制行动验证：实验制碱碱（徐慧敏，荣宇阳）（徐慧敏，荣宇阳）大体方向：大体方向： 我们一开始大致设计了 如下方案，A 装置加热 Nh4Cl 和 Ca(OH)2 产生 NH3，C 装置用 HCl 和 CaCO3 制取 CO2，B 中装入饱和食盐水。实验完毕后过滤 B 中液体，加热滤渣即可。细节改进：细节改进： 实验之前我们注意到在制氨时很有可能产生 倒吸，于是我们将装置 B 改成了大烧杯并将左边 的导管改为倒置的漏斗同时计算结果显示加热法难以产生足量的氨 气，于是我们决定将 A 装置改为储满

12、氨气的高压 罐，实验时选择适当压力释放氨气实际操作：实际操作： 实验原理 低温下用氨饱和的饱和食盐水通入二氧化碳（CO2）可析出碳酸氢钠(NaHCO3)，此时 母液中 Na+减少而 Cl-相对多，此时再加入细盐末，因同离子效应，低温氯化铵（NH4Cl） 溶解度突然降低，而食盐(NaCl)的溶解度变化不大，所以氯化铵（NH4Cl）析出而食盐不 析出，再用氨饱和后通二氧化碳（CO2） ，结果往返析出 NaHCO3 和 NH4Cl，其中氨由氮 与水中的氢化合制成，CO2 是提取氢气和氮气的半水煤气之副产品，这样巧妙的把氮气工 业和制碱工业联合起来，故候氏制碱法又称联合制碱法。其化学方程式为：ClNH

13、NaHCOCONaClOHNH43223223232COOHCONaNaHCO实验器材： 烧杯、玻璃棒、漏斗、滤纸、电炉、坩埚、坩埚钳、电子天平实验试剂： 食盐、液氨、稀盐酸、碳酸钙、蒸馏水实验过程过程与结论报告： 1、在烧杯中配置饱和食盐水，并加入少量氯化钠以保证实验过程中氯化钠溶液保持饱和All By Our Team !第 6 页2、将 A，C 装置准备好，打开钢罐以合理的压力释放氨气，将连着导致漏 斗 的导管伸入 B 中。 3、一段时间后向 C 中添加稀盐酸，将导管接入 B。 4、析出大量晶体时同时断开 A、C 装置。 5、静置 10 分钟左右，使其析出更多的晶体并使晶体沉淀下来。 6

14、、用漏斗过滤静置后的溶液。 7、用蒸馏水洗涤晶体，直到洗净为止。 8、把洗净的晶体放在坩埚中进行煅烧，直到反应完全。 9、收集得到的产品，称量。末尾处理： 1、向滤液中继续加如氯化钠直到析出晶体。 2、静置一段时间，再进行过滤。 3、把产品在一定的温度下烘干，即得化肥氯化铵。产物检验与解释：产物检验与解释： 1、我们将制得的纯碱取样配成溶液后加入 AgNO3 后析出微量沉淀，我们认 为这是由于开始氯化钠没有完全溶解导致产物中含有 NaCl 引起的，然而为了保 证母液在实验过程中的的纯度又不得已而为之，尽管这一点孔德洲之前已经提 出过了。2、我们将生成的副产物（氯化铵）分别取两份样品：一份与 C

15、a(OH)2 共热 后的现象证明了 NH4+的存在；一份配成溶液加入 AgNO3 后我们证明了 Cl-的存 在。这样我们证明了副产物是氯化铵。All By Our Team !第 7 页化学历史：活动反思化学历史：活动反思（荣宇阳）（荣宇阳）首先，从历史的角度，巨额利润的刺激下，十九世纪末二十世纪初，我国 的民族资本主义在艰难中起步，然而这不能组织爱国者们的脚步，当侯德榜先 生用索维尔制发制出纯碱的时候，我国是第一个摸索出索维尔制碱法的国家， 这就让我们更容易的想到：当侯氏制碱法研制成功时，人们是有多兴奋！另外一点，化学学习方面。我们发现复分解反应远不及我们想象的简单， 因为我们一开始甚至认为侯氏制碱法在理论上是行不通的，因为产物本身并未 出现水，沉淀或者二氧化碳中的一个，然而实际探究以后我们发现，即使是不 同离子组合出的不同物质之间的溶解度的差异也可以达到同一个效果，尤其是 在试验中开始产生沉淀时，不得不说那个场面是精彩的。最后一点，也是我们这次感受最深的一点：科科 技技 是是 第第 一一 生生 产产 力力 ！ 在所有探究计划都完成后，我们随意做了个小计算，日产 4000 吨的化工厂，即 使是抛开生产废物，生产步骤与加热条件后，仅仅是氯化钠的使用上就能因制 法不同给这个工厂节约下很多资金。 （侯氏制碱法节约了接近 30%的原料）