【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第二章碱金属

【资料图】

§2-5碳酸钠（纯碱）的工业制法

【01】工业上生产碳酸钠（纯碱）大都采用“氨碱法”【这个生产方法是比利时工程师苏尔维于1861年首先提出的，所以也叫苏尔维法】。现在我们把这个方法的化学原理、设备、生产过程和优缺点等分段讲述于下：

化学原理

【02】从碳酸钠的分子式Na₂CO₃来看，它是由钠离子和碳酸根离子组成的电解质。因此，制取它最理想的方法是，用两种能提供这些离子的物质为原料，经复分解反应而得到。食盐NaCI和石灰石CaCO₃似乎是符合上述要求的最便宜的原料。但是，石灰石不溶于水，不能和食盐直接发生复分解反应生成碳酸钠。事实上，自然界里也没有其他可溶性的碳酸盐可作为原料的。因此必须先制成一种“中间产物”作为过渡。反应原理是这样的：

【03】(1)把石灰石在高温下煅烧，分解得到二氧化碳的生石灰：

【04】(2)把二氧化碳通入饱和的氨水中，使生成碳酸氢铵的溶液：

【05】(3)碳酸氢铵溶液跟食盐溶液起复分解反应，产生碳酸氢钠沉淀作为一个中间产物：

【06】(4)然后，把溶液过滤得到碳酸氢钠固体，再在高温下煅烧，分解成碳酸钠：

【07】实际上，反应(2)和(3)是在同一溶液中连续进行的，它们是一组连续的可逆反应。NaHCO₃成沉淀析出是使这两个可逆反应的平衡向前移动的原因，也是氨碱法成功的关键。所以必须选择和采用有利于形成NaHCO₃沉淀的条件和措施。

【08】首先，我们注意到温度：降低温度有利于CO₂气体和氨气的溶解，从而增加反应物的浓度，也就促使形成NH₄HCO₃的平衡向前移动，同时也就接着有利于反应(3)的形成NaHCO₃的平衡的向前移动。当然在反应(3)中NaHCO₃本身的溶解度也因温度降低而变小，使它容易从溶液中析出，结果亦使反应(3)的平衡向前移动，从而影响反应(2)的平衡也向前移动。但是，温度降低也会影响反应(3)中的其他盐类的溶解度下降。所以我们应该选择适当的温度，在这个温度下，既使NaHCO₃的溶解度较小，而且和其他盐类的溶解度比较，差别又较大。这样，就有利于NaHCO₃的沉淀分离。实用上，一般选择30~35℃的温度。

【09】其次，我们再来研究溶液的浓度问题。我们知道，反应物的浓度越大，平衡越向前移动。所以原则上，应设法使溶液对各种溶质来说都达饱和的程度。但是，我们也应注意到CO₂和NH₃的量的比数关系。如果NH₃过量，反应就不是如(2)那样，而是：

【10】这里Na₂CO₃的溶解度较NaHCO₃大得多，它不会生成沉淀，反应最后达到平衡而不再前进了。因此，.必须使用过量CO₂，使溶液中形成HCO₃⁻根离子，而不是形成CO₃⁻⁻根离子，这是这个方法的成功的重要关键所在！实用上，先在饱和食盐水溶液中通入氨气达饱和，然后降温到30~35℃再通入过量的CO₂气体，以完成反应(2)和(3)。

【11】此外，我们再来谈谈氨在反应过程中的作用问题。

【12】从反应(2)和(3)来看，NH₃变成了NH₄Cl。如果把过滤除去NaHCO₃沉淀后的母液加入石灰乳Ca(OH)₂，就能发生下列反应而重新得到NH₃：

【13】这样得到的氨又可重复使用，在理论上没有损耗.

【14】当然，在实用上，氨是或多或少要损耗一些的。所以需要随时补充。补充用的和过程开始时所需要的适量氨，一般是用铵盐（例如NH₄Cl，(NH₄)₂SO₄等）跟石灰乳反应而制得。当然也可用氨水或液态氨。

【15】至于石灰乳的来源也是本工业所现成的。就是反应(1)的另一种产物CaO跟水反应而得：

【16】到此，我们可以概括起来说：生产纯碱的原料是食盐NaCl和石灰石CaCO₃；产品除纯碱Na₂CO₃外，还有一种氯化钙CaCl₂，它是原料中的另外两种离子所组成的物质。由于原料不能直接反应，所以需要利用氨的作用，在一定条件下，通过一系列的反应过程才能制得纯碱。过程中生成的碳酸氢钠是一种中间产物，它的形成沉淀析出是这个方法成功的关键。

工业生产过程

【17】根据上述的基本原理，工业上用氨碱法生产纯碱时，主要分成两个阶段：(1)制成碳酸氢钠；(2)煅烧中间产物制成纯碱。流程图如图2·6所示.分述如下：

1、碳酸氢钠的生成

【18】先用泵把提纯的饱和食盐溶液提升到高位槽储存，从那里再自动地流入吸氨塔。当饱和食盐溶液从吸氨塔顶上淋下时，把干燥的氨气由塔底通入，这样用逆流原理让氨气溶解在食盐溶液中达饱和程度。当氨溶解于水时，放出热量，溶液的温度升高，不利于氨气的溶解（气体溶解度跟温度成反比），因此在吸氨塔底部有冷却装置，能把溶液冷却到25℃左右。在吸氨塔里，一小部分氨气跟水反应，生成氢氧化铵，而大部分氨气以溶解形式存在。

【19】从吸氨塔底部出来的溶液一一称作氨化盐水，用泵移到碳酸塔的顶部，从那里淋下来，同时从塔底通入过量二氧化碳，在塔里进行反应。开始，氨气、水跟二氧化碳反应生成碳酸氢铵，由于这个反应放热会使溶液温度升高，因此碳酸塔下部也有冷却装置，使温度稳定在30~35℃间，这时碳酸氢铵立即跟氯化钠反应，成碳酸氢钠晶体析出。原理中的反应(2)和(3)合并成：

【20】从碳酸塔底部流出的悬浮有碳酸氢钠晶体的溶液，送入过滤机中进行分离。得到的晶体就是碳酸氢钠；母液里含有氯化铵和没有起反应的氯化钠（约为原料的30%）。

2、煅烧碳酸氢钠使分解生成碳酸钠

【21】从过滤机得到的碳酸氢钠晶体送入转炉里加热煅烧。炉子不断地转动，翻动晶体，这样可防止加热不均匀而发生粘结现象。碳酸氢钠慢慢分解生成碳酸钠，分解时放出的二氧化碳可再通入碳酸塔循环使用。

氨碱法的优缺点

【22】这个方法的优点是原料（食盐和石灰石）成本低，产品碳酸钠的纯度高（杂质大部在母液里），氨气和部分二氧化碳可循环使用，制造步骤简单，适合于大规模生产。但它也有若干缺点：最大的缺点是没有充分利用物资，在两种主要原料里，只利用了食盐中的钠离子和石灰石中的碳酸根离子，而全部氯离子和钙离子没有利用，它们结合成氯化钙。处理这样得到的含杂质很多的氯化钙稀溶液就成为很大负担，因为要提纯它是很困难的，实际用途也不大。如果把大量氯化钙排入河流中，会影响鱼类的生存和繁殖；如把它堆放起来，不仅占地很大，而且氯化钙有吸湿性，堆放的地方将成为泥泞不干的废墟。并且，食盐的利用率也很低，只有70%转化，30%随CaCl₂溶液损失了。此外在母液里含有大量氯化铵没有完全被回收。即使从回收的部分来看也并不很合理。我们知道，氯化铵是一种很好的氮肥（第二册§5-8）【山注，化2-5-08第07段，传送门CV21782790】，它比硫酸铵（俗称肥田粉）的肥效还要高，不会增加土壤的酸性，现在却把已经制成的氮肥回收成氨气，这样的生产是不合理的。

【23】我国的科学家和工人，经过多年的苦心研究，创立了联合制碱法【山注，此联合制碱法乃是由侯德榜先生主导研发成功，因此其又被称为“侯氏联合制碱法”】。它应用了氨碱法的优点，克服了氨碱法的缺点，不仅充分利用了物资，而且同时得到两种产品——纯碱和氯化铵。