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第18章 演示复分解反应的实验操作和改进

复分解法制取纯碱的课外实验

纯碱是基本化工产品之一,用途十分广泛。李潭生老师将此法复分解法生产纯碱的要点介绍如下,同学们可做课外活动实验。

反应原理

以碳酸氢铵和食盐为主要原料,发生复分解反应:

NH4HCO3+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl由于生成的NaHCO3在水中的溶解度较小,从溶液中结晶燃烧,经煅烧即得纯碱。

2NaHCO3燃烧Na2CO3+H2O↑+CO2↑反应中生成的氯化铵,可根据其溶解度随温度变化比较灵敏(与食盐的溶解度相比),把反应后的母液降温,即可有氯化铵结晶析出。从而使氯化铵得以分离。因此可得纯碱和氯化铵两种产品原料得到较为充分的利用。

实验用品

(1)仪器:2000ml大水槽(可用面盆代替)、搅拌棒、布氏漏斗吸滤装置(可用竹篦子铺以白布或尼龙布代替)、加热用电炉、小锅、酸式滴定管、量筒(100ml)、液量管(1ml)、锥形瓶(100ml)。

(2)药品:农用碳酸氢铵、粉碎好的食盐(过100目筛,如无法得到,则研得越细越好)、酒精、硫酸铵(农用型)、1%BaCl2溶液、36%醋酸、茜素红溶液。

操作方法

(1)在水槽中加入1升水,投入粉碎好的食盐,搅拌溶解。制成饱和溶液(如水温20℃食盐需用量为360克),水浴加热使水温至35℃-40℃。

(2)边搅拌边向食盐溶液中投入农用碳酸氢铵,就可见溶液中有白色晶体析出。随着碳酸氢铵加入量的增加,沉淀越来越多,直至把480克全部加入。

(3)将析出的晶体用吸滤法过滤,过滤后,用清水洗涤两次(注意控制洗涤用水处理),即得到NaHCO3。过滤后的液体与洗涤水合并,称为一号母液。

(4)把所得的NaHCO3,用小铁锅加热,使其分解,就制得纯碱。

(5)往一号母液中加入一定量的硫酸铵,使溶液中SO42-浓度在15-20滴度(1升中含SO42-48克等于20滴度),然后边搅拌边加入细食盐280克并降温至10℃-15℃(用冰盐水降温为好),此时即有大量氯化铵析出。

(6)把析出的氯化铵用布氏漏斗过滤,即得可供农用的氯化铵,滤液称为二号母液。

(7)再往二号母液中加入450克NH4HCO3,同时升温至35℃-40℃,按上面的过程重复操作即可有NaHCO3和NH4Cl不断析出。

说明

(1)往一号母液中加入一定量的(NH4)2SO4(也可用H2SO4或NH4NO3),是为了使溶液中除Cl-和HCO3-外还有第三种酸根离子,这有利于NH4Cl的生成。由于有第三种酸根离子的参与反应,因此此法又称为中间盐法。

(2)SO42-浓度的化验,可按下法进行:用液量管吸取待测母液1ml,加水25ml,稀释(在锥形瓶内操作),滴加茜素红指示剂8滴,再加36%醋酸溶液3ml,混匀后加入酒精20ml(95%),然后用BaCl2溶液快速滴定至肉红色为反应终点。根据BaCl2溶液的用量,即可计算出SO42-的滴度(分析化验中,溶液的浓度多采用当量浓度N,在初中这里改用百分比浓度)。

(3)此法可直接应用于家庭实验。

气态酸碱反应的演示实验

为了演示气态酸碱反应,通常是使两个烧瓶的小口靠在一起,其中一个装挥发性的酸溶液,另一个装挥发性的碱溶液。在气体相遇的空间可观察到反应的发生。得到像悬浮的固体一样的中和产物。这个方法的缺点是受到相混合的气体的扩散速度和它们的浓度的限制。

一个简单的方法可以在我们的课堂上成功地演示这种反应。

用两个侧面有支管的500毫升抽滤瓶,一个注入100毫升35%的氯化氢溶液,另一个注入100毫升25%的氢氧化氨溶液。每个瓶子都配上一个套有一根直角玻璃管的橡皮塞,玻璃管的末端浸没在溶液中。玻璃管是彼此连通的,并且通过橡皮管和“T”形连接管通入压缩空气。侧管也通过橡皮管、“T”型管以及排气管彼此连通(见图1)。

演示:

当把空气吹进瓶子时,可以观察到反应物的气态分子被从它们的溶液中压出,并通过侧管彼此在“T”形管中相遇。反应在“T”形管中发生,产物氯化铵呈浓厚的白烟通过排气管排出。

演示气态酸碱反应的装置附注:

对于这个实验,其他的酸,例如硝酸也可以使用。

注意:

为了更好地说明这个实验,可以在反应物溶液中加进几滴酸碱指示剂(例如甲基红和酚酞)。

选择合适的生石灰与水反应

初中化学课本中介绍的生石灰(CaO)跟水的反应虽很简单,但有时反应时间较长,现象不明显。主要原因是在于生石灰本身性质的差异或其已受潮了。

建筑工程上称生石灰加水为石灰的熟化。石灰熟化作用的快慢有很大的差异。1快熟石灰:熟化速度(CaO+H2O的反应达到高温的时间)在10分钟内;2中熟石灰:熟化速度在10~30分钟;3慢熟石灰:熟化速度在30分钟以上。只有快熟石灰才适用于课堂演示实验。

从石灰所含的成份来看,建筑工程上的实践证明钙质石为(MgO含量≤5%)比镁质石灰(MgO含量>5%)熟化快。而且CaO比MgO和H2O的反应放出更多的热量。可查物质的标准生成热,查得CaO(晶)的△H0f=-6351kj/mol;Ca(OH)2(晶)的△H0f=-9862kj/mol;H2O(液)的△H0f=-28584kj/mol;MgO(晶)的△H0f=-60124kj/mol;Mg(OH)2(晶)的△H0f=-92466kj/mol。根据△H0f=△H0f(生成物)-△H0f(反应物)可计算出1mol的CaO比1mol的MgO分别与水反应多放出2768kj/mol的热量。若用镁质石灰,会使实验不准确。质纯多孔块小的生石灰熟化快。含杂质且煅烧不良的生石灰熟化慢。

在准备实验时,要选择新制的煅烧良好的质纯多孔小块的钙质石灰。如果没有新制的生石灰,就取大块的生石灰,去掉外表已吸湿的部分,把中间干燥的生石灰制成小块状,密闭保存。

装置实验仪器:夹在铁架台的铁圈上放一个蒸发皿,在蒸发皿的上方悬挂着一支红色酒精温度计(150℃的)。课本实验是把水加入生石灰。对快熟石灰,为了避免加水后石灰过热表面形成硬壳而影响进一步反应,改为先将水倒入蒸发皿中,约占1/2容量。再放进生石灰(体积约为蒸发皿容量的1/3)。5分钟之内,就可看到明显的现象,生成的熟石灰就像一朵刚出笼的热气腾腾的疏松的裂开着的碗糕。生石灰和水反应,体积膨胀。质纯且煅烧良好的生石灰反应后体积可增大3~35倍。而含杂质且煅烧不良的生石灰反应后体积才增大15~2倍。冒出的热蒸气使温度计的红色液柱明显上升。

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