侯氏制碱法演示实验的设计

侯氏制碱法演示实验的设计

侯氏制碱法是工业上制取纯碱的重要方法，也是进行科学教育和爱国主义教育的很好素材。无论是过去统一使用的教科书还是现在各个实验区的教材，这部分内容都比较重视，尤其是我们新课程所秉承的知识与生产、生活相联系的理念，苏教版这部分内容就更能凸显其教育意义。分析近年来的高考试题，天津、四川、福建、上海等省市的自主命题中，对侯氏制碱法的原理、工艺流程等综合知识的考察比重较大。然而，学生在学习和掌握这些内容时却感到抽象，就是难以接受NaHCO3的结晶析出这一过程，因为在学习化学的知识思维中人们总是定势地认为钠盐是易溶于水的，所以在练习和考试中也往往因此出错。能不能用实验的演示来突出重点、化解难点，加深同学们对这些知识的理解和掌握呢？本实验就这个问题作如下的实验设计。

仪器和药品

分液漏斗、锥形瓶、双孔塞、橡皮管、长短玻璃弯管、试管、烧杯、钉锤。

稀硫酸、石灰石粉末或碳酸钠固体、氨化饱和食盐水、水

实验原理

CaCO3+H2SO4(稀)=CaSO4+H2O+CO2↑

CO2+H2O+NaCl+NH3=NH4Cl+NaHCO3

2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑

实验装置

实验步骤

1. 按照装置图所示进行仪器安装，并检查气密性；
2. 将石灰石用锤子敲碎成粉末状，然后用纸槽送入锥形瓶中，尽可能铺开；
3. 向分液漏斗中加入1：4的稀硫酸，盖好塞子，气孔或凹槽对准。如没有气孔或凹槽，则需把塞子拿下系挂在漏斗口边上；
4. 在试管里注入3mL左右的氨化饱和食盐水，放置在盛有冷水的烧杯中，将导管伸入试管底部,试管口塞团湿棉花；
5. 缓慢地打开分液漏斗的活塞，根据导管口冒出的气泡大小和快慢调节滴液的速度，一般在反应7min左右试管内的液体出现浑浊（应该放在光照亮处可见到很多发亮的小晶粒），再通CO2气体5—10min（这段时间可复习CO2、NH3和NaCl的相关性质及用途）即可拿出试管进行仔细观察；
6. 最后在浑浊的试管里滴加稀硫酸，有大量的气泡逸出，溶液复为澄清。

注意事项

1. 氨化饱和食盐水的配制，可用实验室里的试剂用氨水中加入精盐充分振荡溶解后隔液使用。
2. 制CO2用的石灰石要尽量敲碎成为细粉末，不然与稀硫酸反应在中途会停止，影响实验效果。一般情况下只要用粉末的，用量在3-5药匙就可满足本实验要求。
3. 通常制CO2是用石灰石和盐酸反应来进行的，但由于这个反应的明显放热，部分HCl的挥发会使实验效果不理想，以前实验的不成功可能就是这个原因。CO2与氨化饱和食盐水的反应也有热量放出，为使有较多的NaHCO3析出，故把试管放在水浴中冷却。
4. 氨化饱和食盐水的用量不宜过多，以3mL左右比较好，否则耗费时间太长，甚至在课堂时间内实验做不出预想结果。太少了不便观察。
5. 通入的CO2的速率不可太快，要控制好滴加稀硫酸的速度。如用石灰石粉末，基本平和；若用Na2CO3粉末，反应很快，一般滴液速度控制在每滴3秒左右为宜。最好先让反应一会儿排走热空气后才将导管伸入氨化饱和食盐水中，减少氨气的损失。因为实验时常在试管上部出现疑似NH4HCO3的固体，可能就是挥发的氨气、水蒸气与未反应掉的CO2化合所造成，所以通CO2的气流还是慢点为好。
6. 实验室固液制气的装置中容器常用烧瓶，用铁架台固定，本实验改用锥形瓶，简化步骤和操作，且锥形瓶的底部有较大的面积，有利于反应的进行。但由于装置的重心较高，实验时小心保护，避免碰翻，防止实验事故的发生。实践证明，实验的安全性还是有保证的。

实验特点

1. 选取材料是实验室的常见仪器，进行有机组合也不难想到，但用这套装置来验证侯氏制碱法的工业原理，查一些资料没有找到有这方面的实验设计，其中的技巧有独到之处，弥补实验空缺。个人认为增加这个实验在教学中很有必要。
2. 侯氏制碱法的工艺流程对绝大多数同学来说没有机会参观化工厂，知识是抽象的，该实验能化抽象知识形象化，能让同学更好地理解用氨的饱和食盐水比用CO2的饱和食盐水效果要好，更深刻地认识NaHCO3的结晶过程，对新教材里CO2、NH3和NaCl的用途中均讲到用于制纯碱体会更具体，有利于化解解答这部分知识的试题困难，对知识的全面而系统地掌握有较好的帮助。
3. 制CO2用石灰石和稀硫酸反应来进行，在初中化学的学习过程中往往被认为是不可行的，而本实验用事实证明把“不可能变为可能”，揭示化学反应条件的改变对反应的影响，说明任何事物的变化是有条件的，相对的，对树立同学们的创新意识有一定的促进作用。
4. 变化仪器组合，用锥形瓶取代烧瓶，使整个实验装置简单明了，操作方便，现象明显，绿色环保，安全可靠。使看惯了烧瓶的配套装置中出现锥形瓶眼前一亮，具有一定的审美情趣。

二点说明

1. 以前也有好几次同学建议做个实验，但都被老师说是工业制法而搪塞过去。其实，老师曾经预先做过实验但没有成功。后来，干脆告诉学生，与同学们一道分析原因，有同学认为可能是HCl的挥发把NaHCO3给溶解了，有的则认为是时间不够，有的建议同时通NH3，等等。经过几次实验方案的改进，最后成功。