Question

純堿是主要的化工原料，化學家發(fā)明了其不同的工業(yè)制法，其中法國化學家尼古拉斯早在1791年發(fā)明的工業(yè)合成碳酸鈉的方法，簡稱勒布朗制堿法．該方法包括以下兩個階段：首先從原料氯化鈉與濃硫酸在高溫下的反應得到中間產物硫酸鈉，然后通過硫酸鈉與木炭和碳酸鈣的反應來得到碳酸鈉．各步驟反應的化學方程式如下：
①2NaCl+H₂SO₄

500℃

Na₂SO₄+2HCl↑
②Na₂SO₄+2C 

1000℃

Na₂S+2CO₂↑
③Na₂S+CaCO₃

1000℃

Na₂CO₃+CaS
完成下列計算（計算過程保留3位有效數(shù)字）
（1）假設每一步反應物的量足夠，反應完全，理論上每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質量是

0.883

kg．
（2）步驟②碳單質過量時也同樣可以反應獲得Na₂S，此時所發(fā)生的反應的化學方程式是

Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑

．若其它條件不變，步驟②按此反應進行，每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質量是

0.883

kg，此時消耗碳單質的量是原步驟②反應用碳量的

2

倍．
（3）通過定性分析，勒布朗制堿法獲得的純堿含有雜質CaCO₃和CaS，為了測定產品純度，取10g樣品與稀硝酸反應，硫元素全部轉化成淡黃色固體，稱量其質量為0.16g，另取10g樣品與稀鹽酸反應，得到氣體（忽略氣體在水中的溶解），折算為標況下，體積為2.162L，計算求出該產品中Na₂CO₃的純度．
（4）若除氯化鈉和碳單質的量外，其它反應物足量，反應充分，如果加入a mol氯化鈉時，生成的Na₂CO₃為y g，電子轉移數(shù)為z mol，討論分析當氯化鈉與碳的物質的量之比x的值不同時，用函數(shù)式表示y和z的值是多少．

x	y	z

Answer 1

分析：（1）依據化學方程式的定量關系，分析氯化鈉和碳酸鈉的定量關系計算得到；
（2）過量碳和二氧化碳反應生成一氧化碳；依據化學方程式中物質的定量關系分別計算得到所求各量；
（3）樣品和稀硝酸反應硫元素變化為硫單質質量計算物質的量，結合硫元素守恒計算CaS的質量，樣品與鹽酸反應生成的二氧化碳物質的量計算樣品中CaCO₃物質的量得到質量，計算得到碳酸鈉質量計算質量分數(shù)；
（4）依據化學方程式分析得到恰好反應時氯化鈉和碳物質的量之比x=1，討論氯化鈉過量和碳過量時的化學方程式計算討論得到所計算的量．

解答：解：（1）反應完全，理論上每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質量可以依據化學方程式分析氯化鈉和碳酸鈉的定量關系，設生成碳酸鈉需要氯化鈉質量為X；
①2NaCl+H₂SO₄

500℃

Na₂SO₄+2HCl↑
②Na₂SO₄+2C

1000℃

Na₂S+2CO₂↑
③Na₂S+CaCO₃

1000℃

Na₂CO₃+CaS
得到    2NaCl～Na₂CO₃
    2×58.5        1×106
       X           1Kg×80%       
X=0.883Kg；
故答案為：0.883；
（2）步驟②碳單質過量時也同樣可以反應獲得Na₂S，過量碳和二氧化碳反應生成一氧化碳，此時所發(fā)生的反應的化學方程式：Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑；
若其它條件不變，步驟②按此反應進行，分析化學方程式得到計算定量關系仍是  2NaCl～Na₂CO₃ ，所以每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質量是0.883Kg；
根據化學方程式得到2C～Na₂CO₃；按照Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑反應得到  4C～Na₂CO₃；所以此時消耗碳單質的量是原步驟②反應用碳量二倍；
故答案為：Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑；0.883；2；
（3）純堿含有雜質CaCO₃和CaS，為了測定產品純度，取10g樣品與稀硝酸反應，硫元素全部轉化成淡黃色固體，稱量其質量為0.16g物質的量=

0.16g

32g/mol

=0.005mol，依據硫元素守恒，CaS質量=0.005mol×72g/mol=0.36g；另取10g樣品與稀鹽酸反應，得到氣體（忽略氣體在水中的溶解），折算為標況下，體積為2.162L物質的量

2.162L

22.4L/mol

=0.0965mol，氣體為二氧化碳和硫化氫，硫化氫物質的量為0.005mol，二氧化碳物質的量=0.0965mol-0.005mol=0.0915mol，元素守恒得到：
設CaCO₃ 質量x，Na₂CO₃質量為y；得到x+y+0.005=0.0965，100x+106y=10-0.36，計算得到x=0.0115mol，y=0.0817mol，
碳酸鈉的純度=

0.0817mol×106g/mol

10g

×100%=86.6%；
答：碳酸鈉的純度為86.6%；
（4）若除氯化鈉和碳單質的量外，其它反應物足量，反應充分，如果加入a mol氯化鈉時，生成的Na₂CO₃為y g，電子轉移數(shù)為z mol，過程反應分析得到：
①2NaCl+H₂SO₄

500℃

Na₂SO₄+2HCl↑
②Na₂SO₄+2C

1000℃

Na₂S+2CO₂↑
③Na₂S+CaCO₃

1000℃

Na₂CO₃+CaS
依據化學方程式得到2NaCl～2C～2CO₂～8e^-；
x=1
當x＞1，氯化鈉過量，按照碳計算
n（C）=

amol

x

，2C～Na₂CO₃生成的碳酸鈉物質的量

a

2x

mol，質量y=

a

2x

mol×106g/mol=

53a

x

；z=

4a

x

mol；
當x≤1時，按照氯化鈉計算，2NaCl～Na₂CO₃+生成碳酸鈉物質的量為

a

2

mol，y=

a

2

mol×106g/mol=53a，z=4a；
故答案為：

x	y	z
x＞1	53a/x	4a/x
x≤1	53a	4a

點評：本題考查了物質性質的實驗探究方法和實驗分析計算，方案設計和過程分析是解題關鍵，題目難度中等．