Question

純堿是主要的化工原料，化學(xué)家發(fā)明了其不同的工業(yè)制法，其中法國化學(xué)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(yīng)得到中間產(chǎn)物硫酸鈉，然后通過硫酸鈉與木炭和碳酸鈣的反應(yīng)來得到碳酸鈉．各步驟反應(yīng)的化學(xué)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(shè)每一步反應(yīng)物的量足夠，反應(yīng)完全，理論上每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質(zhì)量是

0.883

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

Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑

．若其它條件不變，步驟②按此反應(yīng)進(jìn)行，每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質(zhì)量是

0.883

kg，此時消耗碳單質(zhì)的量是原步驟②反應(yīng)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(zhì)CaCO₃和CaS，為了測定產(chǎn)品純度，取10g樣品與稀硝酸反應(yīng)，硫元素全部轉(zhuǎn)化成淡黃色固體，稱量其質(zhì)量為0.16g，另取10g樣品與稀鹽酸反應(yīng)，得到氣體（忽略氣體在水中的溶解），折算為標(biāo)況下，體積為2.162L，計算求出該產(chǎn)品中Na₂CO₃的純度．
（4）若除氯化鈉和碳單質(zhì)的量外，其它反應(yīng)物足量，反應(yīng)充分，如果加入a mol氯化鈉時，生成的Na₂CO₃為y g，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為z mol，討論分析當(dāng)氯化鈉與碳的物質(zhì)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(jù)化學(xué)方程式的定量關(guān)系，分析氯化鈉和碳酸鈉的定量關(guān)系計算得到；
（2）過量碳和二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳；依據(jù)化學(xué)方程式中物質(zhì)的定量關(guān)系分別計算得到所求各量；
（3）樣品和稀硝酸反應(yīng)硫元素變化為硫單質(zhì)質(zhì)量計算物質(zhì)的量，結(jié)合硫元素守恒計算CaS的質(zhì)量，樣品與鹽酸反應(yīng)生成的二氧化碳物質(zhì)的量計算樣品中CaCO₃物質(zhì)的量得到質(zhì)量，計算得到碳酸鈉質(zhì)量計算質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
（4）依據(jù)化學(xué)方程式分析得到恰好反應(yīng)時氯化鈉和碳物質(zhì)的量之比x=1，討論氯化鈉過量和碳過量時的化學(xué)方程式計算討論得到所計算的量．

解答：解：（1）反應(yīng)完全，理論上每獲得1kg純度為80%的純堿需要氯化鈉的質(zhì)量可以依據(jù)化學(xué)方程式分析氯化鈉和碳酸鈉的定量關(guān)系，設(shè)生成碳酸鈉需要氯化鈉質(zhì)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(zhì)過量時也同樣可以反應(yīng)獲得Na₂S，過量碳和二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，此時所發(fā)生的反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑；
若其它條件不變，步驟②按此反應(yīng)進(jìn)行，分析化學(xué)方程式得到計算定量關(guān)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(zhì)量是0.883Kg；
根據(jù)化學(xué)方程式得到2C～Na₂CO₃；按照Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑反應(yīng)得到  4C～Na₂CO₃；所以此時消耗碳單質(zhì)的量是原步驟②反應(yīng)用碳量二倍；
故答案為：Na₂SO₄+4C=Na₂S+4CO↑；0.883；2；
（3）純堿含有雜質(zhì)CaCO₃和CaS，為了測定產(chǎn)品純度，取10g樣品與稀硝酸反應(yīng)，硫元素全部轉(zhuǎn)化成淡黃色固體，稱量其質(zhì)量為0.16g物質(zhì)的量=

0.16g

32g/mol

=0.005mol，依據(jù)硫元素守恒，CaS質(zhì)量=0.005mol×72g/mol=0.36g；另取10g樣品與稀鹽酸反應(yīng)，得到氣體（忽略氣體在水中的溶解），折算為標(biāo)況下，體積為2.162L物質(zhì)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(zhì)的量為0.005mol，二氧化碳物質(zhì)的量=0.0965mol-0.005mol=0.0915mol，元素守恒得到：
設(shè)CaCO₃ 質(zhì)量x，Na₂CO₃質(zhì)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(zhì)的量外，其它反應(yīng)物足量，反應(yīng)充分，如果加入a mol氯化鈉時，生成的Na₂CO₃為y g，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為z mol，過程反應(yīng)分析得到：
①2NaCl+H₂SO₄

500℃

Na₂SO₄+2HCl↑
②Na₂SO₄+2C

1000℃

Na₂S+2CO₂↑
③Na₂S+CaCO₃

1000℃

Na₂CO₃+CaS
依據(jù)化學(xué)方程式得到2NaCl～2C～2CO₂～8e^-；
x=1
當(dāng)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(zhì)的量

a

2x

mol，質(zhì)量y=

a

2x

mol×106g/mol=

53a

x

；z=

4a

x

mol；
當(dāng)x≤1時，按照氯化鈉計算，2NaCl～Na₂CO₃+生成碳酸鈉物質(zhì)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(zhì)性質(zhì)的實驗探究方法和實驗分析計算，方案設(shè)計和過程分析是解題關(guān)鍵，題目難度中等．