Номер 17, страница 348 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 48. Углерод и его соединения - номер 17, страница 348.

Условие.

17. Подготовьте сообщение и презентацию о способе получения соды по методу Сольве.

Решение.

Решение 2.

Метод Сольве (или аммиачный способ получения соды) — это основной промышленный способ производства карбоната натрия ($Na_2CO_3$, кальцинированная сода), разработанный бельгийским химиком Эрнестом Сольве в 1860-х годах. Этот процесс пришел на смену менее эффективному и экологически грязному методу Леблана.

Исходное сырье

Для производства соды по методу Сольве используются дешевые и широко доступные природные вещества:

• Хлорид натрия ($NaCl$) в виде концентрированного водного раствора (рассола).
• Карбонат кальция ($CaCO_3$) в виде известняка или мела.
• Аммиак ($NH_3$), который в данном процессе выступает в роли катализатора и почти полностью регенерируется.

Основные стадии процесса

Процесс является непрерывным и состоит из нескольких ключевых стадий.

1. Получение углекислого газа и оксида кальция

Известняк прокаливают (обжигают) в специальных печах при температуре 900–1000 °c. В результате термического разложения образуются оксид кальция (негашеная известь) и углекислый газ.

$CaCO_3(тв) \xrightarrow{t} CaO(тв) + CO_2(г)$

Углекислый газ используется на стадии карбонизации, а оксид кальция — для регенерации аммиака.

2. Насыщение рассола аммиаком (аммонизация)

Очищенный от примесей кальция и магния концентрированный раствор хлорида натрия насыщают газообразным аммиаком. Этот процесс необходим для создания щелочной среды и связывания хлороводорода, который образуется на следующей стадии, в виде хлорида аммония.

$NH_3(г) + H_2O(ж) \rightleftharpoons NH_4OH(р-р)$

3. Карбонизация аммиачного рассола

Полученный аммиачно-солевой раствор поступает в карбонизационные колонны (колонны Сольве), где его обрабатывают углекислым газом, полученным при обжиге известняка. В ходе реакции в осадок выпадает малорастворимый в данных условиях гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$).

$NaCl(р-р) + NH_3(р-р) + CO_2(г) + H_2O(ж) \rightarrow NaHCO_3(тв) \downarrow + NH_4Cl(р-р)$

Процесс ведут при охлаждении, так как растворимость гидрокарбоната натрия с понижением температуры уменьшается.

4. Фильтрация и кальцинация гидрокарбоната натрия

Выпавший осадок гидрокарбоната натрия отделяют от раствора хлорида аммония фильтрованием. Затем гидрокарбонат натрия подвергают кальцинации (прокаливанию) в печах при температуре 140–160 °c. В результате образуется конечный продукт — карбонат натрия (кальцинированная сода), а также вода и углекислый газ, который возвращается в производственный цикл (на стадию карбонизации).

$2NaHCO_3(тв) \xrightarrow{t} Na_2CO_3(тв) + H_2O(г) + CO_2(г)$

5. Регенерация аммиака

Это ключевая стадия, обеспечивающая экономическую эффективность процесса. Раствор хлорида аммония, оставшийся после фильтрации, смешивают с гашеной известью ($Ca(OH)_2$), которую получают при взаимодействии оксида кальция (из стадии 1) с водой: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$. При нагревании этой смеси происходит реакция, в результате которой выделяется газообразный аммиак. Его улавливают и снова используют для насыщения рассола.

$2NH_4Cl(р-р) + Ca(OH)_2(р-р) \xrightarrow{t} 2NH_3(г) \uparrow + CaCl_2(р-р) + 2H_2O(ж)$

Суммарное уравнение и баланс процесса

Если сложить все уравнения реакций и сократить вещества, участвующие в цикле (аммиак, частично $CO_2$), то суммарное уравнение метода Сольве будет выглядеть так:

$2NaCl + CaCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CaCl_2$

Таким образом, основными расходуемыми реагентами являются поваренная соль и известняк, а конечными продуктами — сода и хлорид кальция. Хлорид кальция является побочным продуктом, имеющим ограниченное применение.

Преимущества и недостатки метода

Преимущества:

• Использование дешевого и доступного сырья.
• Высокая чистота получаемого продукта.
• Цикличность процесса и регенерация аммиака делают его экономически выгодным.
• Процесс непрерывен и хорошо поддается автоматизации.

Недостатки:

• Образование большого количества побочного продукта — хлорида кальция, утилизация которого является проблемой.
• Неполное использование хлорида натрия (степень превращения около 70–75%).
• Высокое потребление воды и энергии.

Несмотря на недостатки, метод Сольве до сих пор остается основным способом производства соды в мире благодаря своей экономической эффективности.

Ответ: Метод Сольве — это промышленный способ получения карбоната натрия ($Na_2CO_3$) из раствора хлорида натрия ($NaCl$) и известняка ($CaCO_3$) с использованием аммиака ($NH_3$) в качестве катализатора, который регенерируется в замкнутом цикле. Процесс включает следующие основные стадии: обжиг известняка для получения $CO_2$ и $CaO$; насыщение рассола $NaCl$ аммиаком; осаждение малорастворимого гидрокарбоната натрия ($NaHCO_3$) путем пропускания $CO_2$ через аммонизированный рассол; прокаливание (кальцинация) $NaHCO_3$ для получения целевого продукта $Na_2CO_3$; и регенерация аммиака из оставшегося раствора хлорида аммония с помощью оксида кальция. Суммарное уравнение процесса: $2NaCl + CaCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CaCl_2$.