侯氏制碱法为什么先通氨气:提高碳酸氢钠析出量

侯氏制碱法为什么先通氨气,核心是氨气极易溶于水,先通入氨气可以把饱和食盐水转化为碱性盐水,再通入二氧化碳时,二氧化碳在碱性溶液中的溶解量会明显提升,溶液里能够生成较高浓度的铵根离子与碳酸氢根离子,促使碳酸氢钠达到饱和状态析出;如果调换顺序先通二氧化碳,二氧化碳在饱和食盐水中溶解度很小,溶液中碳酸氢根浓度不足,很难得到足量碳酸氢钠,该操作逻辑适用于实验室模拟侯氏制碱、高中化学试题分析场景,不适用于工业上氨碱法索尔维制碱的反应流程。

侯氏制碱法气体溶解差异原理

常温常压下,1体积水大约可溶解700体积氨气,而1体积水仅能溶解约1体积二氧化碳。氨气溶于水发生反应生成一水合氨,一水合氨电离产生氢氧根,让食盐水体系变为弱碱性环境。二氧化碳属于酸性气体,更容易和碱性溶液发生反应,大量转化为碳酸氢根离子。直接在中性饱和食盐水中通入二氧化碳,大部分气体会逸出,留在溶液里的离子浓度达不到碳酸氢钠的溶度积要求。

碱性环境,是反应的关键。

碳酸氢钠是整个流程需要分离的目标固体,它的溶解度在体系几种盐类里偏低。溶液中钠离子来自饱和食盐水,铵根来自氨气,碳酸氢根来自二氧化碳,三种离子同时积累到足够浓度,碳酸氢钠晶体才会从溶液中沉淀分离。先通氨气的操作,本质就是通过调节溶液酸碱性,放大碳酸氢根的生成量,利用溶解度差异实现产物分离。

两种通气顺序效果对比

通气顺序溶液环境二氧化碳溶解能力碳酸氢钠析出效果
先氨气后二氧化碳弱碱性饱和食盐水较强可析出较多碳酸氢钠固体
先二氧化碳后氨气中性饱和食盐水较弱碳酸氢钠析出量少,实验成功率低

调换通气顺序的错误操作,会出现二氧化碳大量溢出,溶液中碳酸氢根浓度偏低,最终收集到的碳酸氢钠固体极少,难以完成后续煅烧得到碳酸钠的步骤。高中化学考试中,该对比是高频考点,答题时需要把溶解度差异、溶液酸碱性、离子浓度三个要点结合表述。

侯氏制碱法后续反应与物料循环

析出碳酸氢钠固体之后,将固体过滤取出,高温煅烧碳酸氢钠,会分解生成碳酸钠、二氧化碳和水,生成的二氧化碳可以回收,再次通入反应装置重复利用。过滤碳酸氢钠之后剩下的母液,里面含有氯化铵,加入氯化钠固体,降低氯化铵溶解度,能析出氯化铵,氯化铵可以作为氮肥使用。整套工艺实现原料循环,减少废弃物排放,这也是侯德榜改良索尔维氨碱法的核心改进点。

该方法的适用边界是,原料必须使用饱和氯化钠水溶液,稀盐水体系中钠离子浓度不足,即便先通入氨气,碳酸氢钠也不容易结晶析出,同时反应需要控制在常温附近,温度过高会降低氨气和二氧化碳的溶解度,温度过低会减慢离子反应速率。

考试作答可以直接提取核心逻辑:氨气溶解度大,先通氨气制造碱性环境,增加二氧化碳吸收量,提高碳酸氢根浓度,利用碳酸氢钠低溶解度析出晶体。

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