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氯硷工业(Chlor-alkali industry)


氯硷工业(Chlor-alkali industry)顾名思义就是製备硷与氯的方法。自从工业革命以后,酸与硷在工业上的用途日益增大,由于化学工业发展的结果,酸与硷更是化学工业的大宗。

在常温下,氯气是一种黄綠色、刺激性气味、有毒的气体,溶于水可生成盐酸与次氯酸,并可进而製备过氯酸、氯酸、亚氯酸,皆为重要的工业原料。

氯气得发现早在1774年由科学家卡尔•威廉•席勒(Carl Wilhelm Scheele)在实验室里利用盐酸加上二氧化锰产生黄色气体-氯气。

HCl + MnO2 → MnCl2 + 2 H2O + Cl2

在工业上,氯气常用电解食盐水来生产製备,且可同时产生氢气与氢氧化钠,成为最有效率的製程方法。

2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH

氯硷工业(Chlor-alkali industry)

图片来源:John McMurry, Robert C. Fay, Chemistry, 4th Edition ,Chapter18

利用电解方法,阳极发生氧化反应:

2 Cl– → Cl2 + 2 e–

阴极发生还原反应:

2 H2O + 2 e– → H2 + OH–
全反应为:2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH

而在两电极中间隔有选择性透膜,可让阳离子通过以维持电中性,并且隔离氯气与氢气以避免两气体混和。加上饱和食盐水与水的不断提供,如此一来,可不断地产生氢气、氯气、与氢氧化钠水溶液,可谓将效率发挥的淋漓尽致。

除了利用食盐製备氢氧化纳、氯气、氢气之外,另一着名的硷氯工业为製备碳酸钠。碳酸钠不论是在工业上与生活中都是最常使用的弱硷、应用于玻璃、洗衣粉、氧化铝製备、水的净化软化及洗涤等等。工业上常使用的有两种方法,分别为路布兰法(Leblanc process)与索尔维法(Solvay process)。

路布兰法(Leblanc process):

1791年法国科学家尼古拉斯•勒布朗(Nicolas Leblanc)成功实现仅使用两步骤即可从食盐合成纯的碳酸氢钠的方法,由于步骤简单,早期广受业界使用:

以食盐、硫酸、煤粉、石灰石为原料,将食盐与浓硫酸在800~900℃下混和,释放出氯化氢气体,同时得到硫酸钠,再将硫酸钠与煤粉和石灰石充分混和锻烧而得碳酸钠。副产物氯化氢为重要的工业原料、硫化钙则可回收转製成硫酸或硫酸铵。

其反应式为:

2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl
Na2SO4 + CaCO3 + C → Na2CO3 + CaS +CO2

氯硷工业(Chlor-alkali industry)

索尔维法(Solvay process):

1861年比利时化学家欧内斯特•索尔维(Ernest Solvay)发明了另之种製备碳酸钠的方法,虽然其步骤複杂,但此方法消耗的原料少、成本低,成为到现今为止工业上最常使用的方法。

以食盐、氨水、碳酸钙为原料,碳酸钙在高温生成二氧化碳与氧化钙,食盐与二氧化碳和氨水反应生成碳酸氢钠与氯化铵,碳酸氢钠再加热生成碳酸钠、水、及二氧化碳,而生成的氯化铵可与氧化钙反应生成氨水及氯化钙。整个过程仅需持续提供碳酸钙与食盐,氨水与二氧化碳可循环再利用,即可持续产碳酸钠与副产物氯化钙。

其反应式为:

CaCO3 → CO2 + CaO
NaCl + CO2 + NH3 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl
2 NH4Cl + CaO → 2 NH3 + CaCl2 + H2O
2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

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