模擬氨堿法制備純堿實(shí)驗(yàn)的探討

王開華 周彥

摘要： 通過定量實(shí)驗(yàn)探究吸收液溫度、通氣方式等對模擬氨堿法制備純堿實(shí)驗(yàn)的影響，并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件： 向飽和氨化食鹽水中通入二氧化碳?xì)怏w，開始1分鐘通氣應(yīng)緩慢，然后以最大速率通氣;采用38～45℃的溫水浴可縮短反應(yīng)時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 模擬氨堿法; 純堿制備實(shí)驗(yàn); 飽和氨化食鹽水; 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

文章編號： 10056629（2020）10007203

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

人教版《化學(xué)與技術(shù)》“純堿的生產(chǎn)”專題中，介紹了氨堿法與侯氏制堿法生產(chǎn)純堿的原理，并對生產(chǎn)原理進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。但按課本中的實(shí)驗(yàn)操作，觀察不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很多教師為此做了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件的探索。

陳國欽將二氧化碳?xì)怏w通入氨化食鹽水中，實(shí)驗(yàn)過程中，最短在12分鐘看到明顯渾濁[1]。王緒言利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，先向飽和氯化鈉溶液中通氨氣，然后通入二氧化碳?xì)怏w，控制好實(shí)驗(yàn)條件，能夠看到白色沉淀產(chǎn)生[2]。劉懷樂將二氧化碳?xì)怏w通入飽和氨化食鹽水中，將反應(yīng)試管置于冷水中。飽和氨化食鹽水的用量不同，得到沉淀的時(shí)間有差異，最短在5～10分鐘出現(xiàn)明顯渾濁[3]。張婷等向飽和氨化食鹽水中通入二氧化碳?xì)怏w，溫度在42℃左右，采用“噴散式”吸收二氧化碳，通氣速率保持氣泡在240個(gè)/min左右，通氣15分鐘后可見晶體析出[4]。裴銳、趙華先向飽和食鹽水中間歇性地通入半個(gè)小時(shí)的氨氣，然后通入半個(gè)小時(shí)的二氧化碳?xì)怏w，看到燒瓶底部有明顯固體析出[5]。

總結(jié)以上氨堿法的模擬實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)的方法主要是兩種： 一種是先向飽和食鹽水中通入氨氣，一段時(shí)間后再通入二氧化碳?xì)怏w;另一種是將二氧化碳?xì)怏w通入氨化食鹽水中。

提出問題： （1）先通氨氣再通二氧化碳?xì)怏w的方法存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間長（一般短則1小時(shí)左右），實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，容易造成氨氣泄露或倒吸等問題，不適合作為課堂實(shí)驗(yàn)。（2）將二氧化碳?xì)怏w直接通入飽和氨化食鹽水中，最短在10分鐘左右出現(xiàn)明顯渾濁，比較適合課堂實(shí)驗(yàn)。但也存在矛盾的情況，比如為了加快反應(yīng)，有的認(rèn)為應(yīng)該將反應(yīng)裝置置于熱水浴中，有的認(rèn)為應(yīng)該置于冷水浴中;另外對于二氧化碳?xì)怏w的通入，始終都是一種通氣速率，未曾考慮反應(yīng)過程中通氣速率的差別對產(chǎn)生沉淀時(shí)間和沉淀質(zhì)量的影響。本文將重點(diǎn)探究通氣方式、實(shí)驗(yàn)溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，尋找最佳實(shí)驗(yàn)條件，以期為課堂實(shí)驗(yàn)提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藥品： 飽和氨化食鹽水[將過量氯化鈉固體加入濃氨水中，振蕩，靜置過夜，即得飽和氨化食鹽水[6]）、酚酞溶液、碳酸氫鈉固體、硫酸溶液（濃硫酸與水1∶2稀釋）]

儀器： 鐵架臺、圓底燒瓶、球形分液漏斗、橡膠管、15mm×150mm試管、導(dǎo)氣管（帶尖嘴）、200mL燒杯

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1、圖2。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

飽和氨化食鹽水每次均取5mL，滴入1滴酚酞溶液，盛有飽和氨化食鹽水的試管口用一團(tuán)棉花塞住，導(dǎo)氣管的尖嘴直達(dá)試管底[7]（粉碎氣泡，氣體與溶液有更好的接觸）。

2.3 對照實(shí)驗(yàn)

2.3.1 通氣方式對實(shí)驗(yàn)的影響

緩慢通氣是指在液面上方可以形成氣泡柱，氣泡柱高度在5～10mm之間;最大速率通氣是指氣體將溶液沖起，形成氣泡柱的高度大于10mm，但不與試管口的棉花接觸;出現(xiàn)明顯渾濁是以看不清試管內(nèi)插入的導(dǎo)氣管為準(zhǔn);靜置后沉淀的高度，是指出現(xiàn)明顯渾濁后再通氣2分鐘，并靜置1小時(shí)后的沉淀高度。

酚酞溶液與飽和氨化食鹽水混合，通過溶液顏色的變化能夠監(jiān)測到反應(yīng)的發(fā)生。但無論選擇哪種通氣方式，溶液褪色以后，并沒有立刻出現(xiàn)明顯的渾濁，要繼續(xù)通氣4min左右才會出現(xiàn)渾濁，且很快沉淀增多，逐漸看不清試管內(nèi)的導(dǎo)管。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）分析，不同的通氣方式，收獲沉淀的量差別不大。溶液紅色褪去和出現(xiàn)明顯渾濁的時(shí)間比較： 始終以最大速率通氣<先緩慢通氣1min，再以最大速率通氣<先緩慢通氣2min，再以最大速率通氣。如果僅從縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間的角度，應(yīng)采用“始終以最大速率通氣”的方式。但是實(shí)驗(yàn)過程中，開始通氣速率較快，實(shí)驗(yàn)裝置周圍會聞到強(qiáng)烈的刺激性氣味，即使在棉花上滴幾滴稀硫酸，仍然能夠聞到。這是由于一開始氨水濃度大，通入二氧化碳?xì)怏w太快會將氨氣帶出。而先緩慢通氣2min，再以最大速率通氣，整個(gè)過程聞不到任何刺激性氣味，但是實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長。若先緩慢通氣1min，再以最大速率通氣，實(shí)驗(yàn)過程中也幾乎無任何刺激性氣味，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相應(yīng)縮短，因此這是一種比較理想的通氣方式。緩慢通氣的時(shí)間如果小于1min，則快速通氣時(shí)就會出現(xiàn)明顯的刺激性氣味，說明仍有氨氣被帶出，且時(shí)間不易控制。

2.3.2 反應(yīng)溫度對實(shí)驗(yàn)的影響

為了防止氨氣的擴(kuò)散，通氣時(shí)宜采用先緩慢通氣1min，再以最大速率通氣的方式。綜合相關(guān)資料，我們將水浴溫度控制在38～45℃[8，9]，冷水浴選擇實(shí)驗(yàn)室的自來水（5℃）作對比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2中。

實(shí)驗(yàn)分析，溶液紅色褪去和出現(xiàn)明顯渾濁的時(shí)間比較： 溫水浴（38～45℃）<無水?。?1℃室溫）<冷水?。?℃），因此在相同的通氣方式下，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間縮短。

化學(xué)反應(yīng)NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3+NH4Cl（放熱），實(shí)驗(yàn)過程中可以明顯感受到試管外壁溫度的升高。從理論上分析，降低溫度應(yīng)有利于平衡向著正反應(yīng)方向進(jìn)行，同時(shí)降低碳酸氫鈉的溶解度。但從實(shí)驗(yàn)時(shí)間上看，溫度降低造成反應(yīng)速率下降，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，而溫水浴中實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，適合課堂實(shí)驗(yàn)。溫水浴時(shí)，38～45℃這個(gè)溫度范圍都可以，這樣可以避免實(shí)驗(yàn)時(shí)為維持一定溫度而分散精力（課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒杯中的水加熱至45℃，停止加熱，將裝飽和氨化食鹽水的小試管放在燒杯中，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束溫度大約降至40℃）。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為11℃，若環(huán)境溫度升高，比如將實(shí)驗(yàn)藥品置于20℃的空調(diào)屋內(nèi)8小時(shí)，則無需溫水浴，實(shí)驗(yàn)8min后即可看到明顯渾濁。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

氨堿法制備純堿的實(shí)驗(yàn)，對于課堂演示，適合采用向飽和氨化食鹽水中通入二氧化碳?xì)怏w的方法。通入二氧化碳?xì)怏w的方式，應(yīng)先緩慢通氣1min，再以最大速率通氣。這樣一來可減少氨氣的逸出，避免環(huán)境污染，二來使反應(yīng)更加充分，提高原料利用率。反應(yīng)的溫度宜采用38～45℃的溫水浴，不適宜采用冷水浴的方式。若環(huán)境溫度較高（如20℃以上），則無需溫水浴，實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)一步簡化。

為了很好地指示反應(yīng)的進(jìn)程，向飽和氨化食鹽水中滴入1滴酚酞試液，當(dāng)溶液紅色完全褪去后，還需繼續(xù)通入二氧化碳?xì)怏w4min左右，才能看到明顯的渾濁。當(dāng)溶液紅色褪去以后，通入二氧化碳?xì)怏w速率要快，一來加快化學(xué)反應(yīng)速率，二來避免通氣導(dǎo)管尖嘴處固體析出而堵塞氣路。實(shí)驗(yàn)中選擇碳酸氫鈉固體與硫酸反應(yīng)制取二氧化碳，可以保證“最大速率通氣”，且硫酸滴速加快，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的速率可以進(jìn)一步提高。

純堿制備原理的模擬實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對純堿生產(chǎn)原理和工業(yè)生產(chǎn)流程的理解，將理論學(xué)習(xí)、科學(xué)探究以及生產(chǎn)實(shí)際三者聯(lián)系起來，能更好地體會科學(xué)知識與科學(xué)方法的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1][7][8]陳國欽. 做好氨堿法實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是什么[J]. 化學(xué)通報(bào)， 1957， （8）： 67～69.

[2]王緒巖. 聯(lián)合制堿法反應(yīng)原理的模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2008， （5）： 12～13.

[3][6]劉懷樂. 純堿生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的秘訣[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （1）： 48～49.

[4][9]張婷等. 模擬氨堿法制備純堿實(shí)驗(yàn)的條件優(yōu)化[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （6）： 72～75.

[5]裴銳， 趙華. 趣玩化學(xué)， 感受化學(xué)制備的魅力——以“純堿的制備實(shí)驗(yàn)”為例[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2018， （6）： 27～29.