第四章 微专题（二）侯氏制碱法及碳酸钠质量分数的测定讲义 （教师版）

微专题（二）侯氏制碱法及碳酸钠质量分数的测定
1．侯氏制碱法
(1)反应原理
①产生NaHCO3的反应：NH3＋NaCl＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl。
②产生Na2CO3的反应：2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。
(2)工艺流程
(3)绿色思想：循环使用的物质有二氧化碳、饱和食盐水。
2．测定碳酸钠质量分数的常用方法
(1)气体法
①测定原理：Na2CO3＋H2SO4===Na2SO4＋H2O＋CO2↑。
依据CO2的体积确定Na2CO3的物质的量，进而确定纯碱中Na2CO3的含量。
②实验操作：向m g纯碱样品中加入足量的稀硫酸，准确测量产生CO2气体的体积为V mL（已折算为标准状况）。
③数据处理：纯碱样品中Na2CO3的质量为 mol×106 g·mol-1＝ g，则纯碱样品中Na2CO3的质量分数为×100%＝%。
(2)沉淀法
①测定原理：Na2CO3＋BaCl2===BaCO3↓＋2NaCl。
依据BaCO3沉淀的质量，确定Na2CO3的物质的量，进而确定纯碱中Na2CO3的含量。
②实验操作：先将m g纯碱样品溶于水配成溶液，向溶液中加入过量的BaCl2溶液，经过滤、洗涤、干燥得BaCO3沉淀的质量为n g。
③数据处理：纯碱样品中Na2CO3的质量为×106 g·mol-1＝ g，则纯碱样品中Na2CO3的质量分数为×100%＝×100%。
(3)双指示剂滴定法（以Na2CO3、NaHCO3混合物为例）
①在混合物的试液中先加入酚酞指示剂，此时溶液呈红色，用盐酸标准溶液滴定至溶液刚好褪色，这是第一滴定终点。Na2CO3被滴定为NaHCO3。滴定反应的化学方程式为Na2CO3＋HCl===NaCl＋NaHCO3，设在第一滴定终点时消耗的盐酸标准溶液的体积为V1 mL。
②再加入甲基橙指示剂，继续用盐酸标准溶液滴定至溶液由黄色变为橙色即为第二滴定终点。此时NaHCO3被滴定为H2CO3，反应的化学方程式为NaHCO3＋HCl===NaCl＋H2O＋CO2↑，设此阶段消耗盐酸标准溶液的体积为V2 mL。
③根据V1 mL和V2 mL可以计算出混合物样品中Na2CO3、NaHCO3两种物质的含量。
题型一侯氏制碱法的原理及有关实验探究
【例1】　（2021·河北卷节选）化工专家侯德榜发明的侯氏制碱法为我国纯碱工业和国民经济发展作出了重要贡献。某化学兴趣小组在实验室中模拟并改进侯氏制碱法制备NaHCO3，进一步处理得到产品Na2CO3和NH4Cl。实验流程如图：
回答下列问题：
(1)从A～E中选择合适的仪器制备NaHCO3，正确的连接顺序是aefbcg（按气流方向，用小写字母表示）。为使A中分液漏斗内的稀盐酸顺利滴下，可将分液漏斗上部的玻璃塞打开或将分液漏斗上部玻璃塞上的凹槽（或小孔）与分液漏斗上端的小孔对齐。
(2)B中使用雾化装置的优点是增大反应物的接触面积，使反应更充分。
(3)生成NaHCO3的总反应的化学方程式为
CO2＋NH3·H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl。
(4)反应完成后，将B中U形管内的混合物处理得到固体NaHCO3和滤液：
①对固体NaHCO3充分加热，产生的气体先通过足量浓硫酸，再通过足量Na2O2，Na2O2增重0.14 g，则固体NaHCO3的质量为0.84 g。
②向滤液中加入NaCl粉末，存在NaCl(s)＋NH4Cl(aq)―→NaCl(aq)＋NH4Cl(s)过程。为使NH4Cl沉淀充分析出并分离，根据NaCl和NH4Cl溶解度曲线，需采用的操作为降温结晶、过滤、洗涤、干燥。
解析：(1)制备NaHCO3的具体过程为先制备CO2，再除去杂质HCl，然后将纯净的CO2通入饱和氨盐水中制得NaHCO3，最后用NaOH溶液处理多余的CO2，所以装置的连接顺序为aefbcg。分液漏斗使用前需要让其与大气连通，否则液体无法滴落，所以为使A中分液漏斗内的稀盐酸顺利滴下，需要打开分液漏斗上部的玻璃塞或者将分液漏斗上部玻璃塞上的凹槽（或小孔）与分液漏斗上端的小孔对齐。(2)雾化装置可以增大反应物的接触面积，使饱和氨盐水与CO2充分接触，使反应更充分。(4)①1 mol CO2与足量Na2O2反应，最终Na2O2增加的质量相当于1 mol CO的质量，假设固体NaHCO3的质量为x g，可列如下关系式：
2NaHCO3～CO2～Na2O2～CO
2×84 28
x g 0.14 g
则＝，解得x＝0.84。②根据题图中NaCl和NH4Cl的溶解度曲线可知，NH4Cl的溶解度随温度的升高变化较大，而NaCl的溶解度随温度的升高变化不大，为使NH4Cl沉淀充分析出并分离，需采用的操作为降温结晶、过滤、洗涤、干燥。
【即时训练1】　（2024·吉林白山一模）我国化工专家侯德榜将合成氨与纯碱工业联合，发明了联合制碱法，使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，该生产方法在制得纯碱的同时，还可得到一种副产品NH4Cl。生产流程和溶解度曲线如图所示，下列说法错误的是(　D　)
A．从母液中经过循环Ⅰ进入沉淀池的物质主要是NaCl和氨水
B．NH4Cl固体从母液中析出时需控制温度在0～10 ℃
C．循环Ⅰ、Ⅱ的目的是提高原料的利用率、减少对环境的污染
D．沉淀池中反应的化学方程式：2NH3＋CO2＋2NaCl＋H2O===2NH4Cl＋Na2CO3
解析：由联合制碱法生产流程示意图可以看出从母液中经过循环Ⅰ进入沉淀池的物质主要是NaCl和氨水，A正确；由溶解度曲线可以看出，NH4Cl固体从母液中析出时需控制温度在0～10 ℃，B正确；由流程可知，循环Ⅰ、Ⅱ的目的是提高原料的利用率、减少对环境的污染，C正确；沉淀池中反应的化学方程式：NH3＋CO2＋NaCl＋H2O===NH4Cl＋NaHCO3↓，D错误。
题型二碳酸钠纯度的测定
【例2】　下列测定Na2CO3和NaHCO3固体混合物中NaHCO3质量分数的实验方案，合理的是(　C　)
①取m g混合物与过量氢氧化钠溶液充分反应，加热、蒸干、灼烧，得n g固体
②取m g混合物充分加热，减重n g
③取m g混合物与过量稀硫酸充分反应，逸出气体用碱石灰吸收，增重n g
④取m g混合物与过量Ba(OH)2溶液充分反应，过滤、洗涤、干燥，得n g固体
A．①② B．②③
C．②④ D．③④
解析：①过量的氢氧化钠在加热、蒸干、灼烧过程中可生成Na2CO3，则NaHCO3分解的质量不确定，不合理；②碳酸氢钠不稳定，加热分解，利用固体差量法即可计算出固体中碳酸氢钠的质量，合理；③碱石灰吸收二氧化碳和水，二氧化碳中混有水蒸气，影响计算，故应先把水蒸气排除，不合理；④n g固体为碳酸钡，假设碳酸氢钠、碳酸钠分别为x mol、y mol，可根据碳元素守恒，分别列出84x＋106y＝m、197(x＋y)＝n，求出碳酸钠和碳酸氢钠的质量，进而可确定碳酸氢钠的质量分数，合理。
【即时训练2】　为精确测定工业纯碱中碳酸钠的质量分数（含少量NaCl），准确称量w g样品进行实验。下列实验方法所对应的实验方案和测量数据合理的是(　A　)
选项 实验方法 实验方案 测量数据
A 滴定法 将样品配成100 mL溶液，取10 mL，加入酚酞，用标准盐酸滴定 消耗盐酸的体积
B 量气法 将样品与盐酸反应，生成的气体全部被碱石灰吸收 碱石灰增加的质量
C 重量法 将样品放入烧瓶中，置于电子天平上，加入足量盐酸 减小的质量
D 量气法 将样品与盐酸反应，气体通过排水量气装置量气 排出水的体积
解析：用酚酞作指示剂时，Na2CO3与盐酸发生反应：Na2CO3＋HCl===NaCl＋NaHCO3，依据消耗盐酸的量可以计算出样品中Na2CO3的量，进而确定样品中Na2CO3的质量分数，A项合理；测量碱石灰增重的方法是重量法而不是量气法，碱石灰增加的质量还包括水蒸气、氯化氢等，B项不合理；样品中加入足量盐酸，因盐酸的质量未知，无法通过重量法测量Na2CO3的质量，C项不合理；因部分CO2能溶解到水里，与水反应生成H2CO3，故排出水的体积并不是CO2的体积，D项不合理。
1．侯氏制碱法主要过程如图（部分物质已略去）：
下列说法错误的是(　D　)
A．气体X为CO2
B．氨盐水中通入气体X后，溶液中Na＋大量减少
C．操作b为过滤
D．悬浊液a中的不溶物主要是NH4Cl
解析：饱和食盐水中通入氨气形成氨盐水，再通入二氧化碳反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，碳酸氢钠受热分解生成碳酸钠、二氧化碳和水，气体X为CO2，故A正确；氨盐水中通入气体X后，反应生成碳酸氢钠沉淀，因此溶液中Na＋大量减少，故B正确；悬浊液a经过操作b得到滤渣和滤液，说明操作b为过滤，故C正确；悬浊液a中的不溶物主要是碳酸氢钠晶体，故D错误。
2．某小组设计如图所示装置（夹持装置略去），在实验室模拟侯氏制碱工艺中NaHCO3的制备。下列说法不正确的是(　C　)
A．③⑤中可分别盛放饱和食盐水和浓氨水
B．应先向③中通入足量NH3，再通入足量CO2
C．③中反应的离子方程式为NH3＋CO2＋H2O===NH＋HCO
D．装置①也可用于制H2
解析：本实验利用浓氨水与碱石灰混合制取氨气，所以装置⑤中盛装浓氨水，装置③中盛装饱和食盐水，A项正确；先通入足量的氨气，再通入足量的CO2有利于NaHCO3的生成和析出，B项正确；③中反应的离子方程式为NH3＋CO2＋Na＋＋H2O===NaHCO3↓＋NH，C项错误；装置①适合块状不溶于水的固体和液体反应，可以用其制取氢气，D项正确。
3．实验室按如下装置测定纯碱（含少量NaCl）的纯度。下列说法不正确的是(　C　)
A．滴入盐酸前，应将装置中含有CO2的空气排尽
B．装置①④的作用是防止空气中的CO2进入装置③
C．必须在装置②③间添加盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶
D．反应结束时，应再通入空气将装置②中CO2转移到装置③中
解析：根据实验目的和装置图，实验原理为样品与盐酸反应产生的CO2用足量Ba(OH)2溶液吸收，通过测量装置③中产生沉淀的质量计算纯碱的纯度。A项，为了排除装置中含有CO2的空气对CO2测量的影响，滴入盐酸前，应将装置中含有CO2的空气排尽，正确；B项，装置①中NaOH溶液的作用是吸收通入的空气中的CO2，防止空气中CO2进入装置③中，装置④的作用是防止外界空气中的CO2进入装置③中，正确；C项，由于盐酸具有挥发性，反应产生的CO2中混有HCl，若在装置②③间添加盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，HCl与NaHCO3反应会产生CO2，使得测得的CO2偏大，测得纯碱的纯度偏大，错误；D项，为了保证测量的CO2的准确性，反应结束，应继续通入除去CO2的空气将滞留在装置②中的CO2全部转移到装置③中，正确。
4．某同学利用图ⅰ、ⅱ、ⅲ三个仪器组装一套装置完成Na2CO3质量分数的测定，其中样品已称量完毕，ⅲ中装有CO2难溶于其中的液体。
　　　
(1)ⅱ中盛装的是d（填字母）。
a．浓硫酸 B．饱和NaHCO3溶液
c．10 mol·L-1盐酸 D．2 mol·L-1硫酸
(2)用橡胶管连接对应接口的方式是A接E，B接D，C接F（填各接口的字母）。
(3)在测量气体体积时，组合仪器与ⅳ装置相比更为准确，主要原因是装置ⅳ将滴下酸的体积也计入气体体积，而组合仪器没有。组合仪器相对于ⅳ装置的另一个优点是液体更容易顺利滴下。
5．侯德榜发明了“联合制碱法”，以氯化钠为原料制备碳酸钠时产品中往往含有少量碳酸氢钠、氯化钠等，产品中NaHCO3含量测定过程如下：
①称取产品2.500 g，用蒸馏水溶解，定容于250 mL容量瓶中；
②移取25.00 mL上述溶液于锥形瓶中，加入2滴指示剂M，用0.100 0 mol·L-1盐酸标准溶液滴定，溶液由红色变至接近无色，且半分钟不恢复红色（第一滴定终点），消耗盐酸V1 mL；
③在上述锥形瓶中再加入2滴指示剂N，继续用0.100 0 mol·L-1盐酸标准溶液滴定至终点（第二滴定终点），又消耗盐酸V2 mL；
④平行测定三次，V1平均值为22.45，V2平均值为23.51。
回答下列问题：
(1)指示剂M为酚酞；指示剂N为甲基橙，描述第二滴定终点前后颜色变化：由黄色变橙色，且半分钟内不恢复原色。
(2)上述测量步骤③过程中，某时刻，滴入盐酸使溶液显中性，则此时溶液中的溶质为NaCl、NaHCO3、H2CO3。
(3)产品中NaHCO3的质量分数为3.56%（结果保留三位有效数字）。
(4)第一滴定终点时，某同学俯视读数，其他操作均正确，则NaHCO3质量分数的计算结果偏大（填“偏大”“偏小”或“无影响”）。
解析：(1)第一滴定终点为恰好生成NaHCO3，溶液呈碱性，应选用酚酞作指示剂；第二滴定终点为HCl与碳酸氢钠恰好完全反应，溶液呈酸性，应选用甲基橙作指示剂。(2)步骤③中，某时刻滴加盐酸使溶液呈中性，因碳酸氢钠与HCl反应生成的CO2溶于水生成H2CO3，使溶液显酸性，溶液呈中性说明其中还有NaHCO3未反应完。(3)第一次滴定发生反应：Na2CO3＋HCl===NaHCO3＋NaCl，消耗盐酸V1 mL，平均值为22.45 mL，第二次滴定发生反应：NaHCO3＋HCl===NaCl＋H2O＋CO2↑，消耗盐酸V2 mL，平均值为23.51 mL，即原碳酸钠转化的碳酸氢钠消耗盐酸的体积为V1 mL，则原溶液中含有的NaHCO3所消耗的盐酸体积为V2 mL－V1 mL＝1.06 mL，产品中NaHCO3的质量分数为×100%＝×100%≈3.56%。(4)第一次滴定终点时，俯视读数，导致V1偏小，则V2－V1偏大，导致NaHCO3质量分数的计算结果偏大。