【閱前提示】本篇出自『數理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業余時間，將『數理化自學叢書6677版』上傳成文字版。??

第二章堿金屬??

【資料圖】

§2-5碳酸鈉（純堿）的工業制法

【01】工業上生產碳酸鈉（純堿）大都采用“氨堿法”【這個生產方法是比利時工程師蘇爾維于1861年首先提出的，所以也叫蘇爾維法】。現在我們把這個方法的化學原理、設備、生產過程和優缺點等分段講述于下：

化學原理

【02】從碳酸鈉的分子式Na?CO?來看，它是由鈉離子和碳酸根離子組成的電解質。因此，制取它最理想的方法是，用兩種能提供這些離子的物質為原料，經復分解反應而得到。食鹽NaCI和石灰石CaCO?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，不能和食鹽直接發生復分解反應生成碳酸鈉。事實上，自然界里也沒有其他可溶性的碳酸鹽可作為原料的。因此必須先制成一種“中間產物”作為過渡。反應原理是這樣的：

【03】(1)把石灰石在高溫下煅燒，分解得到二氧化碳的生石灰：

【04】(2)把二氧化碳通入飽和的氨水中，使生成碳酸氫銨的溶液：

【05】(3)碳酸氫銨溶液跟食鹽溶液起復分解反應，產生碳酸氫鈉沉淀作為一個中間產物：

【06】(4)然后，把溶液過濾得到碳酸氫鈉固體，再在高溫下煅燒，分解成碳酸鈉：

【07】實際上，反應(2)和(3)是在同一溶液中連續進行的，它們是一組連續的可逆反應。NaHCO?成沉淀析出是使這兩個可逆反應的平衡向前移動的原因，也是氨堿法成功的關鍵。所以必須選擇和采用有利于形成NaHCO?沉淀的條件和措施。

【08】首先，我們注意到溫度：降低溫度有利于CO?氣體和氨氣的溶解，從而增加反應物的濃度，也就促使形成NH?HCO?的平衡向前移動，同時也就接著有利于反應(3)的形成NaHCO?的平衡的向前移動。當然在反應(3)中NaHCO?本身的溶解度也因溫度降低而變小，使它容易從溶液中析出，結果亦使反應(3)的平衡向前移動，從而影響反應(2)的平衡也向前移動。但是，溫度降低也會影響反應(3)中的其他鹽類的溶解度下降。所以我們應該選擇適當的溫度，在這個溫度下，既使NaHCO?的溶解度較小，而且和其他鹽類的溶解度比較，差別又較大。這樣，就有利于NaHCO?的沉淀分離。實用上，一般選擇30~35℃的溫度。

【09】其次，我們再來研究溶液的濃度問題。我們知道，反應物的濃度越大，平衡越向前移動。所以原則上，應設法使溶液對各種溶質來說都達飽和的程度。但是，我們也應注意到CO?和NH?的量的比數關系。如果NH?過量，反應就不是如(2)那樣，而是：

【10】這里Na?CO?的溶解度較NaHCO?大得多，它不會生成沉淀，反應最后達到平衡而不再前進了。因此，.必須使用過量CO?，使溶液中形成HCO??根離子，而不是形成CO???根離子，這是這個方法的成功的重要關鍵所在！實用上，先在飽和食鹽水溶液中通入氨氣達飽和，然后降溫到30~35℃再通入過量的CO?氣體，以完成反應(2)和(3)。

【11】此外，我們再來談談氨在反應過程中的作用問題。

【12】從反應(2)和(3)來看，NH?變成了NH?Cl。如果把過濾除去NaHCO?沉淀后的母液加入石灰乳Ca(OH)?，就能發生下列反應而重新得到NH?：

【13】這樣得到的氨又可重復使用，在理論上沒有損耗.

【14】當然，在實用上，氨是或多或少要損耗一些的。所以需要隨時補充。補充用的和過程開始時所需要的適量氨，一般是用銨鹽（例如NH?Cl，(NH?)?SO?等）跟石灰乳反應而制得。當然也可用氨水或液態氨。

【15】至于石灰乳的來源也是本工業所現成的。就是反應(1)的另一種產物CaO跟水反應而得：

【16】到此，我們可以概括起來說：生產純堿的原料是食鹽NaCl和石灰石CaCO?；產品除純堿Na?CO?外，還有一種氯化鈣CaCl?，它是原料中的另外兩種離子所組成的物質。由于原料不能直接反應，所以需要利用氨的作用，在一定條件下，通過一系列的反應過程才能制得純堿。過程中生成的碳酸氫鈉是一種中間產物，它的形成沉淀析出是這個方法成功的關鍵。

工業生產過程

【17】根據上述的基本原理，工業上用氨堿法生產純堿時，主要分成兩個階段：(1)制成碳酸氫鈉；(2)煅燒中間產物制成純堿。流程圖如圖2·6所示.分述如下：

1、碳酸氫鈉的生成

【18】先用泵把提純的飽和食鹽溶液提升到高位槽儲存，從那里再自動地流入吸氨塔。當飽和食鹽溶液從吸氨塔頂上淋下時，把干燥的氨氣由塔底通入，這樣用逆流原理讓氨氣溶解在食鹽溶液中達飽和程度。當氨溶解于水時，放出熱量，溶液的溫度升高，不利于氨氣的溶解（氣體溶解度跟溫度成反比），因此在吸氨塔底部有冷卻裝置，能把溶液冷卻到25℃左右。在吸氨塔里，一小部分氨氣跟水反應，生成氫氧化銨，而大部分氨氣以溶解形式存在。

【19】從吸氨塔底部出來的溶液一一稱作氨化鹽水，用泵移到碳酸塔的頂部，從那里淋下來，同時從塔底通入過量二氧化碳，在塔里進行反應。開始，氨氣、水跟二氧化碳反應生成碳酸氫銨，由于這個反應放熱會使溶液溫度升高，因此碳酸塔下部也有冷卻裝置，使溫度穩定在30~35℃間，這時碳酸氫銨立即跟氯化鈉反應，成碳酸氫鈉晶體析出。原理中的反應(2)和(3)合并成：

【20】從碳酸塔底部流出的懸浮有碳酸氫鈉晶體的溶液，送入過濾機中進行分離。得到的晶體就是碳酸氫鈉；母液里含有氯化銨和沒有起反應的氯化鈉（約為原料的30%）。

2、煅燒碳酸氫鈉使分解生成碳酸鈉

【21】從過濾機得到的碳酸氫鈉晶體送入轉爐里加熱煅燒。爐子不斷地轉動，翻動晶體，這樣可防止加熱不均勻而發生粘結現象。碳酸氫鈉慢慢分解生成碳酸鈉，分解時放出的二氧化碳可再通入碳酸塔循環使用。

氨堿法的優缺點

【22】這個方法的優點是原料（食鹽和石灰石）成本低，產品碳酸鈉的純度高（雜質大部在母液里），氨氣和部分二氧化碳可循環使用，制造步驟簡單，適合于大規模生產。但它也有若干缺點：最大的缺點是沒有充分利用物資，在兩種主要原料里，只利用了食鹽中的鈉離子和石灰石中的碳酸根離子，而全部氯離子和鈣離子沒有利用，它們結合成氯化鈣。處理這樣得到的含雜質很多的氯化鈣稀溶液就成為很大負擔，因為要提純它是很困難的，實際用途也不大。如果把大量氯化鈣排入河流中，會影響魚類的生存和繁殖；如把它堆放起來，不僅占地很大，而且氯化鈣有吸濕性，堆放的地方將成為泥濘不干的廢墟。并且，食鹽的利用率也很低，只有70%轉化，30%隨CaCl?溶液損失了。此外在母液里含有大量氯化銨沒有完全被回收。即使從回收的部分來看也并不很合理。我們知道，氯化銨是一種很好的氮肥（第二冊§5-8）【山注，化2-5-08第07段，傳送門CV21782790】，它比硫酸銨（俗稱肥田粉）的肥效還要高，不會增加土壤的酸性，現在卻把已經制成的氮肥回收成氨氣，這樣的生產是不合理的。

【23】我國的科學家和工人，經過多年的苦心研究，創立了聯合制堿法【山注，此聯合制堿法乃是由侯德榜先生主導研發成功，因此其又被稱為“侯氏聯合制堿法”】。它應用了氨堿法的優點，克服了氨堿法的缺點，不僅充分利用了物資，而且同時得到兩種產品——純堿和氯化銨。