Question

5．純堿是造紙、玻璃、紡織、制革等行業的重要原料．
（1）路布蘭法制備純堿：①食鹽與硫酸反應生成硫酸鈉；②將硫酸鈉、石灰石和足量煤混合，高溫下共熔制得碳酸鈉，反應有硫化鈣和CO生成，第②步反應中每得到1molLNa₂CO₃轉移電子的總物質的量為8mol．
（2）索爾維法制純堿的主要工藝流程如下，石灰石用于制備CO₂和石灰乳．
①原鹽水中含少量Mg²⁺和Ca²⁺，結合生產實際，精制鹽水需要的試劑是Ca（OH）₂（或CaO）、Na₂CO₃（填化學式）．
②步驟Ⅱ保持在30～35℃進行，反應的化學方程式為NH₃+H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl（或NH₃•H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl）；該工藝中循環利用的物質是NH₃、CO₂．
③索爾維法制純堿不需要用到的一種設備是B（填選項字母）．
A．石灰窯 B．沸騰爐 C．碳酸化塔 D．蒸氨塔 E．吸氨塔
④該工藝中沒有涉及的基本化學反應類型是C（填選項字母）．
A．化合反應  B．分解反應 C．置換反應  D．復分解反應
（3）我國科學家侯德榜將合成氨工業得到的NH₃與CO₂引入純堿的生產，向索爾維法制純堿工藝的“母液”中通入NH₃并加入食鹽固體，降溫結晶得到副產品NH₄Cl（填化學式），剩余母液返回“吸氨”步驟，大大提高了食鹽的利用率．
（4）純堿產品中可能含有碳酸氫鈉，用熱重分析的方法測定純堿中碳酸氫鈉的質量分數為ω（NaHCO₃）=$\frac{84（m1-m2）}{31m1}$（m₁是樣品質量，m₂是樣品受熱分解后的質量）．（列出算式，所需數據用字母表示，并說明各字母的含義）

Answer 1

分析 （1）將硫酸鈉、石灰石和足量煤混合，高溫下共熔制得碳酸鈉，反應有硫化鈣生成，S元素發生還原反應，C發生氧化反應生成CO，反應方程式為：Na₂SO₄+CaCO₃+4C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂CO₃+CaS+4CO↑，根據碳酸鈉和轉移電子之間的關系式計算轉移電子物質的量；
（2）石灰石煅燒發生的反應方程式為CaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaO+CO₂↑，精鹽溶液中通入氨氣，氨氣和水反應生成一水合氨，將CO₂通入氨鹽水中發生反應NaCl+NH₄HCO₃=NaHCO₃↓+NH₄Cl，因為碳酸氫鈉溶解度小于碳酸氫銨，所以得到NaHCO₃沉淀，過濾得到NaHCO₃，向母液中加入Ca（OH）₂得到NH₃，將NaHCO₃分解得到Na₂CO₃和CO₂，反應中CO₂和NH₃能重復利用； ①鎂離子用石灰乳或生石灰除去、鈣離子用碳酸根離子除去；
②碳酸氫鈉溶解度小于碳酸氫銨，所以氨氣、二氧化碳和水、NaCl反應生成溶解度較小的NaHCO₃；
在流程圖中能參加反應且能生成的物質能循環利用；
③根據各設備的用途判斷；
 ④煅燒石灰石、加熱碳酸氫鈉都發生分解反應，氨氣和水反應為化合反應，碳酸氫銨和氯化鈉 發生復分解反應；
（3）加入氨氣和氯化鈉后還生成可溶性的銨鹽；
（4）稱量樣品的質量，加熱分解完成，測定分解后樣品質量，根據固體質量差可以計算碳酸氫鈉的質量，進而計算樣品中碳酸氫鈉的質量分數．

解答 解：（1）將硫酸鈉、石灰石和足量煤混合，高溫下共熔制得碳酸鈉，反應有硫化鈣生成，S元素發生還原反應，C發生氧化反應生成CO，反應方程式為：Na₂SO₄+CaCO₃+4C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂CO₃+CaS+4CO↑，該反應中C元素化合價由0價變為+2價、S元素化合價由+6價變為-2價，則轉移電子個數是8，即生成1mol碳酸鈉轉移8mol電子，
故答案為：8mol；
（2）石灰石煅燒發生的反應方程式為CaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaO+CO₂↑，精鹽溶液中通入氨氣，氨氣和水反應生成一水合氨，將CO₂通入氨鹽水中發生反應NaCl+NH₄HCO₃=NaHCO₃↓+NH₄Cl，因為碳酸氫鈉溶解度小于碳酸氫銨，所以得到NaHCO₃沉淀，過濾得到NaHCO₃，向母液中加入Ca（OH）₂得到NH₃，將NaHCO₃分解得到Na₂CO₃和CO₂，反應中CO₂和NH₃能重復利用； 
①用石灰乳或生石灰與鎂離子溶液反應生成氫氧化鎂沉淀而除去鎂離子，用碳酸鈉溶液和鈣離子反應生成碳酸鈣沉淀而除去鈣離子，
故答案為：Ca（OH）₂（或CaO）；Na₂CO₃；
②碳酸氫鈉溶解度小于碳酸氫銨，所以氨氣、二氧化碳和水、NaCl反應生成溶解度較小的NaHCO₃，反應方程式為NH₃+H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl（或NH₃•H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl），在流程圖中能參加反應且能生成的物質能循環利用，能循環利用的物質有CO₂和NH₃，故答案為：NH₃+H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl（或NH₃•H₂O+NaCl+CO₂=NaHCO₃↓+NH₄Cl）；CO₂和NH₃；
③石灰窯煅燒石灰石、碳酸化塔吸收二氧化碳、蒸氨塔蒸發母液得到氨氣、吸氨塔吸收氨氣，所以沒有用到的是沸騰爐，故選B；
 ④煅燒石灰石、加熱碳酸氫鈉都發生分解反應，氨氣和水反應為化合反應，碳酸氫銨和氯化鈉 發生復分解反應，所以沒有涉及的反應是置換反應，故選C；
（3）加入氨氣和氯化鈉后還生成可溶性的銨鹽，為NH₄Cl，故答案為：NH₄Cl；
（4）稱量樣品的質量m₁，加熱分解完成，測定分解后樣品質量m₂，根據固體質量差可以計算碳酸氫鈉的質量，進而計算樣品中碳酸氫鈉的質量分數．
2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O  固體質量差
168                                                                                            62
m                                                                                       （m₁-m₂）
則m=$\frac{168（m1-m2）}{62}$，
故樣品中碳酸氫鈉的質量分數為$\frac{\frac{168（m1-m2）}{62}}{m1}$=$\frac{84（m1-m2）}{31m1}$，
故答案為：$\frac{84（m1-m2）}{31m1}$（ m₁是樣品質量，m₂是樣品受熱分解后的質量）．

點評 本題以氯堿工業為載體考查物質制備，為高頻考點，明確流程圖中發生的反應、用到的裝置、物質的性質是解本題關鍵，注意：向食鹽水中通入氨氣和二氧化碳時應該先通入氨氣后通入二氧化碳，因為氨氣溶解性大、二氧化碳溶解性小，為易錯點．本題考查化學與技術，關鍵是對原理的理解，涉及物質的分離提純、物質含量測定等，理解掌握中學常見化學工業，難度中等．