侯氏制碱法的原理是基于离子反应和复分解反应的原理进行的。具体步骤如下:
通入氨气和二氧化碳:
首先向饱和食盐水中通入氨气(NH₃),然后再通入二氧化碳(CO₂)。氨气与水反应生成氨水(NH₃·H₂O),二氧化碳与水反应生成碳酸(H₂CO₃),这两个反应的化学方程式分别为:
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NH₃ + H₂O \rightarrow NH₃·H₂O
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CO₂ + H₂O \rightarrow H₂CO₃
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生成碳酸氢钠:
氨水和碳酸在水溶液中反应生成碳酸氢铵(NH₄HCO₃):
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NH₃·H₂O + CO₂ \rightarrow NH₄HCO₃
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生成碳酸氢钠沉淀:
碳酸氢铵与饱和食盐水中的氯化钠(NaCl)反应,生成碳酸氢钠(NaHCO₃)沉淀和氯化铵(NH₄Cl)。由于碳酸氢钠的溶解度较小,所以它会析出:
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NH₄HCO₃ + NaCl \rightarrow NH₄Cl + NaHCO₃ \downarrow
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加热分解碳酸氢钠:
将析出的碳酸氢钠加热,使其分解为纯碱(Na₂CO₃)、二氧化碳(CO₂)和水(H₂O):
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2NaHCO₃ \rightarrow Na₂CO₃ + CO₂ \uparrow + H₂O
$$
循环利用:
在这个过程中,氯化铵可以作为氮肥使用,而二氧化碳可以循环利用。通过向溶液中加入更多的氯化钠,可以使氯化铵单独结晶析出,从而提高食盐的利用率。
总结起来,侯氏制碱法利用了氨气、二氧化碳和食盐之间的化学反应,通过复分解反应和加热分解等步骤,制得纯碱,并且实现了部分原料的循环利用。这种方法提高了原材料的利用率,降低了生产成本,是一种经济高效的制碱工艺。