Question

根据侯德榜制碱法原理并参考下表的数据，实验室制备纯碱Na₂CO₃的主要步骤是：将配制好的饱和NaCl溶液倒入烧杯中加热，控制温度在30～35℃，搅拌下分批加入研细的NH₄HCO₃固体，加料完毕后，继续保温30分钟，静置、过滤得NaHCO₃晶体．用少量蒸馏水洗涤除去杂质，抽干后，转入蒸发皿中，灼烧2小时，制得Na₂CO₃固体．四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g水）表①＞35℃NH₄HCO₃会有分解

温度溶解度盐	0℃	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃	60℃	100℃
NaCl	35.7	35.8	36.0	36.3	36.6	37.0	37.3	39.8
NH4HCO3	11.9	15.8	21.0	27.0	-①	-	-	-
NaHCO3	6.9	8.1	9.6	11.1	12.7	14.5	16.4	-
NH4Cl	29.4	33.3	37.2	41.4	45.8	50.4	55.3	77.3

请回答：
（1）反应温度控制在30～35℃，是因为若高于35℃，则______，若低于30℃，则______；为控制此温度范围，采取的加热方法为______；
（2）加料完毕后，继续保温30分钟，目的是______．静置后只析出NaHCO₃晶体的原因是______．用蒸馏水洗涤NaHCO₃晶体的目的是除去______杂质（以化学式表示）；
（3）过滤所得的母液中含有______（以化学式表示），需加入______，并作进一步处理，使NaCl溶液循环使用，同时可回收NH₄Cl；
（4）测试纯碱产品中NaHCO₃含量的方法是：准确称取纯碱样品W g，放入锥形瓶中加蒸馏水溶解，加1～2滴酚酞指示剂，用物质的量浓度为c（mol/L）的HCl溶液滴定至溶液由红色到无色（指示CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-反应的终点），所用HCl溶液体积为V₁mL，再加1～2滴甲基橙指示剂，继续用HCl溶液滴定至溶液由黄变橙，所用HCl溶液体积为V₂ mL．写出纯碱样品中NaHCO₃质量分数的计算式：NaHCO₃（%）=______．

Answer 1

解：（1）碳酸氢铵10～20℃时，不易分解，30℃时开始大量分解．若温度过低，则反应速率较慢．故反应温度控制在30-35℃之间为宜．水浴加热是把要加热的物质放在水中，通过给水加热达到给物质加热的效果．一般都是把要反应的物质放在试管中，再把试管放在装有水的烧杯中，再在烧杯中插一根温度计，可以控制反应温度．水浴加热的优点是避免了直接加热造成的过度剧烈与温度的不可控性，可以平稳地加热，许多反应需要严格的温度控制，就需要水浴加热．水浴加热的缺点是加热温度最高只能达到100度．
故答案为：NH₄HCO₃分解；反应速率降低；水浴加热；
（2）加料完毕后，继续保温30分钟，可以使反应充分进行，使反应完全．碳酸氢铵0℃时溶解度为11.3%；20℃时为21%；40℃时为35%．碳酸氢钠0℃溶解度为6.9 g，5℃为7.45 g，
10℃为8.15 g，15℃为8.85 g，20℃为9.6 g，25℃为10.35 g，30℃为11.1g，35℃为11.9 g，40℃为12.7 g，45℃为13.55 g，50℃为14.45 g，55℃为15.4g，60℃为16.4g．30℃时碳酸氢钠的溶解度更小，故碳酸氢钠先析出．用蒸馏水洗涤NaHCO₃晶体的目的是为了除去杂质，此反应中杂质为 NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃．
故答案为：使反应充分进行；NaHCO₃的溶解度最小；NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃；
（3）过滤除去析出的碳酸氢钠，溶液中还有部分碳酸氢钠未析出，还有溶解在溶液中的NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃，所得的母液主要成分为NaHCO₃、NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃．加入盐酸后，碳酸氢钠转化为氯化钠，碳酸氢铵转化为氯化铵，这时溶液中的NaCl溶液循环使用，同时可回收NH₄Cl．
故答案为：NaHCO₃、NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃；HCl；
（4）加酚酞指示剂，用物质的量浓度为c（mol/L）的HCl溶液滴定至溶液由红色到无色，指示CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-反应的终点，所用HCl溶液体积为V₁mL；再加甲基橙指示剂，继续用HCl溶液滴定至溶液由黄变橙，指示HCO₃^-+H⁺=CO₂+H₂O反应的终点，所用HCl溶液体积为V₂ mL．上述的两个离子方程式为①CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-②HCO₃^-+H⁺=CO₂+H₂O，故样品中含有的碳酸氢钠反应消耗盐酸体积为（V₂-V₁ ）mL，消耗盐酸的物质的量为c（V₂-V₁ ）÷1000 mol，故碳酸氢钠的物质的量为c（V₂-V₁）÷1000 mol，碳酸氢钠的质量为c（V₂-V₁ ）M÷1000 g，碳酸氢钠的质量分数为×100%，
故答案为：×100%．
分析：（1）碳酸氢铵在低于30℃时分解较少，40℃时开始大量分解．若温度过低，则反应速率较慢．故反应温度控制在30-35℃之间为宜；水浴加热是把要加热的物质放在水中，通过给水加热达到给物质加热的效果．水浴加热的优点是避免了直接加热造成的过度剧烈与温度的不可控性，可以平稳地加热，水浴加热的缺点是加热温度最高只能达到100度；
（2）加料完毕后，继续保温一段时间为使反应充分进行，使反应完全．物质的溶解度，碳酸氢铵0℃时溶解度为11.3%；20℃时为21%；40℃时为35%．碳酸氢钠30℃为11.1g，30℃时碳酸氢钠的溶解度更小，故碳酸氢钠先析出．用蒸馏水洗涤NaHCO₃晶体中杂质，此反应中杂质为 NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃；
（3）过滤除去析出的碳酸氢钠后所得的母液主要成分为NaHCO₃、NaCl、NH₄Cl、NH₄HCO₃．加入盐酸后，溶液中剩余的NaCl和NH₄Cl，氯化钠可以重复使用，氯化铵可以回收利用；
（4）加酚酞指示剂，指示CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-应的终点，再加甲基橙指示剂，指示HCO₃^-+H⁺=CO₂+H₂O反应的终点，样品中含有的碳酸氢钠反应消耗盐酸体积为（V₂-V₁ ）mL，消耗盐酸的物质的量为c（V₂-V₁ ）÷1000 mol，故碳酸氢钠的物质的量为c（V₂-V₁）÷1000 mol，以此来计算碳酸氢钠的质量分数为．
点评：本题考查学生根据侯氏制碱法的基本过程进行解题，学生能利用各种物质常见的溶解度和物质的质量分数来计算是解题的关键，难度稍大．