侯德榜-侯氏制堿法
化學(xué)先生 / 2019-05-27
古代人用堿都是從草木灰中提取堿液，或是從鹽湖水中采集天然的堿但是隨著時(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)部門，尤其是紡織、肥筆、造紙、玻璃制作、火藥生產(chǎn)等行業(yè)對(duì)破的需求越來(lái)越大。為此，法國(guó)科學(xué)院曾于175年，用10萬(wàn)法郎的高瓶賞金懸賞征求可工業(yè)化的制堿方法。但是直到178年，勒布蘭オ提出了以氯化鈉為原料的制法，并經(jīng)過(guò)4年的不斷努力，得出了一套完整的工業(yè)堿生產(chǎn)流程。
雖然勒布蘭制堿流程在推廣應(yīng)用的過(guò)程中得到不斷的完善，但還是存在生產(chǎn)不能連續(xù)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、煤耗量大、產(chǎn)品質(zhì)量不高等缺點(diǎn)。就這樣，勒布蘭法的制堿方法沿用了近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，直到1862年，比利時(shí)化學(xué)家索爾維才真正意義上實(shí)現(xiàn)了氨堿法的工業(yè)化。由于這種新方法能連續(xù)生產(chǎn)、產(chǎn)量大、質(zhì)量高、省勞動(dòng)力、廢物容易處理、成本低廉，很容易被人們的接受，于是很快取代了勒布蘭法的制堿方法。
資本家為了獨(dú)享索爾維制堿法的科研成果，對(duì)此采取了聯(lián)合嚴(yán)密的保密措施，使得外人水遠(yuǎn)無(wú)法接觸先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。但是最后還是被人運(yùn)用智慧的大腦研制了出來(lái)，這個(gè)人就是中國(guó)的候德榜。
候德榜，1890年8月9日生于福建閩侯農(nóng)村。由于他的勤奮好學(xué)，在其姑母的資助下，得以進(jìn)入當(dāng)時(shí)的福州英華書院和皖路礦學(xué)堂讀書學(xué)習(xí)后又經(jīng)過(guò)不斷的努力學(xué)習(xí)，在191年考人清華留美頂備學(xué)校學(xué)習(xí)。在侯德榜將的刻苦努力下，經(jīng)過(guò)3年的認(rèn)真學(xué)習(xí)，他以優(yōu)異的成績(jī)被保送到美國(guó)留學(xué)讀書。在國(guó)外留學(xué)的8年中，他先后在麻省理工學(xué)院、拍拉圖學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)攻讀化學(xué)工程，并與1921年取得化學(xué)博士學(xué)位。在留學(xué)時(shí)侯德榜時(shí)刻關(guān)注祖國(guó)的國(guó)內(nèi)形勢(shì)，總想著為祖國(guó)的同胞們做些什么，所以在遇到正在物色人才的陳調(diào)甫先生時(shí)，他就毫不猶豫地放棄了國(guó)外的優(yōu)越條件，然回國(guó)。
陳調(diào)甫先生當(dāng)時(shí)受國(guó)內(nèi)一位實(shí)業(yè)家的授意，挑選優(yōu)秀的、合適的化學(xué)高才生回國(guó)共同努力研制開(kāi)發(fā)工業(yè)堿，以應(yīng)付當(dāng)時(shí)帝國(guó)主義國(guó)家對(duì)中國(guó)采取技術(shù)封鎖以及國(guó)內(nèi)缺堿的嚴(yán)重現(xiàn)象。1921年，侯德榜回國(guó)后，就立刻投入到了研制工業(yè)堿的繁忙工作中。他先是被任為范旭東創(chuàng)辦的水利堿業(yè)公司的技師長(zhǎng)，但是他卻脫掉身上工整的西服，換上了藍(lán)布工作服和膠鞋身先士卒的和工人們一起操作哪里出現(xiàn)問(wèn)題，他就出現(xiàn)在哪里，再苦再累也從不抱怨。就是以這樣苦干的工作作風(fēng)，侯德榜很快得到了工人們以及外國(guó)技師的贊賞和飲佩，并帶動(dòng)大家共同的投入到了建設(shè)中國(guó)人自己的堿廠的熱情中。
索爾維制堿法的原理就是先把氨氣通入食鹽水，然后向氨鹽水中通二氧化碳，生產(chǎn)溶解度較小的碳酸氫鈉.再將碳酸氫鈉過(guò)濾出來(lái)，經(jīng)培燒得到純凈潔白的碳酸鈉。雖然很多人都知道這種制堿方法的簡(jiǎn)單原理，但是具體的制作過(guò)程卻被外國(guó)公司所壟斷，所以侯德榜要真正的掌握和了解這種制堿方法，就要完全靠自己不斷地摸索和實(shí)驗(yàn)了。在探索的過(guò)程中，有很多的難關(guān)和困難考研著侯德榜的耐力和毅力，他以嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)心的科研態(tài)度歷經(jīng)幾個(gè)春秋的艱苦奮戰(zhàn)，終于掌握了索爾維制堿法的各項(xiàng)技術(shù)要領(lǐng)。在1924年，中國(guó)歷史上第一個(gè)日產(chǎn)180噸純堿的水利堿廠立在了中國(guó)大地上。1926年，永利堿廠生產(chǎn)的“紅三角”牌純堿在美國(guó)費(fèi)城舉辦的萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上榮獲了金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?/span>
在完全掌握了索爾維制堿法的奧秘后，侯德榜并沒(méi)有將這項(xiàng)技術(shù)高價(jià)出售為自己謀取財(cái)富，而是將這項(xiàng)制堿法的全部技術(shù)和自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)寫成專著(制堿).于1932年在美國(guó)以英文出版，他以這種方式將這種技術(shù)公布于眾，和世界上的人們共享這項(xiàng)科研成果。
隨后，侯德榜又在水利公司計(jì)劃下，等建了永利硫酸銨廠，這個(gè)下可以同時(shí)生產(chǎn)氨、硫酸、硝酸和硫酸銨等工業(yè)原料。經(jīng)過(guò)侯德榜的認(rèn)真部核后，他將來(lái)自不同國(guó)家的機(jī)械設(shè)備全部組裝成為一套可生產(chǎn)出不同工業(yè)原料的設(shè)備，充分地展示了他的學(xué)識(shí)和才干以及他高度的事業(yè)心和無(wú)私的獻(xiàn)身精神。
1937年，日本侵華的戰(zhàn)火燃燒到了上海、南京等地。位于南京的硫酸銨廠已經(jīng)成為了當(dāng)時(shí)亞洲第一流的化工廠，是日本侵略者最為垂誕的。日本侵略者看到水利公司的軍事價(jià)值，年產(chǎn)一萬(wàn)噸硝酸，可以制造幾萬(wàn)噸烈性炸藥。他們派人企圖收買范旭東和侯德榜，范、侯二人明確地表示:“寧肯給工廠開(kāi)追悼會(huì)，也決不與侵略者合作!”面對(duì)態(tài)度堅(jiān)決的拒絕，侵略者派飛機(jī)對(duì)堿廠進(jìn)行狂轟濫炸。在戰(zhàn)事的緊迫下，侯德榜當(dāng)機(jī)立斷的將技術(shù)骨干和老工人以及廠里的重要機(jī)件設(shè)備拆運(yùn)西遷。
1938年，侯德榜率西遷的全部員工，在四川岷江岸邊的五通橋建設(shè)水利用西化工廠，換了一個(gè)新環(huán)境，就會(huì)出現(xiàn)許多新的問(wèn)題，侯德榜根據(jù)當(dāng)時(shí)的現(xiàn)狀，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了聯(lián)合制堿新工藝。這個(gè)新工藝是把氨廠和堿廠建在一起聯(lián)合生產(chǎn)，由氨廠提供堿廠需要的氨和二氧化碳;母液里的氯化銨用加入食鹽的辦法使它結(jié)晶出來(lái)，作為化工產(chǎn)品或化肥;食鹽溶液又可以循環(huán)使用。這方法把世界制堿技術(shù)水平推向了一個(gè)新高度，贏得了國(guó)際化工界的極高評(píng)價(jià)。1943年，中國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)一致同意將這一新的聯(lián)合制堿法命名為“侯氏聯(lián)合制堿法”。
1960年前后，為適應(yīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，侯德榜不顧自己已是70高齡，和技術(shù)人員一道共同設(shè)計(jì)了碳化法制造碳酸氫銨的新工藝，為中國(guó)的化肥工業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。
侯德榜以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研態(tài)度，為祖國(guó)的科研事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，侯德榜老先生還是一位辛勤的園丁，為國(guó)家培養(yǎng)了大批的科研技術(shù)骨干，現(xiàn)在這些優(yōu)秀的科研人才活躍在祖國(guó)化工領(lǐng)域中的各個(gè)部門，為祖國(guó)化學(xué)事業(yè)的發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)。
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補(bǔ)充資料：侯氏制堿法化學(xué)方程式是：NaCl (飽和) CO2 NH3 H2O=NaHCO3↓ NH4Cl。 2NaHCO3=Na2CO3 H2O CO2↑，條件為加熱。
制堿法是以食鹽、氨、二氧化碳作為原料，利用這些原料之間在一定條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)生成純堿的辦法，最有代表性的有氨堿法和聯(lián)合制堿法。
侯氏制堿法，是氨堿法和合成氨兩種工藝的聯(lián)合，所以也叫聯(lián)合制堿法。這種方法提高了生產(chǎn)率，打破了外國(guó)壟斷，提高了食鹽利用率，縮短了生產(chǎn)流程，減少了對(duì)環(huán)境的污染，降低了純堿的成本。為世界制堿工業(yè)作出了突出貢獻(xiàn)，在學(xué)術(shù)界獲得了相當(dāng)高的評(píng)價(jià)。
總之1.制備原理：侯氏制堿法是依據(jù)離子反應(yīng)發(fā)生的原理進(jìn)行的，離子反應(yīng)會(huì)向著離子濃度減小的方向進(jìn)行（實(shí)質(zhì)為勒夏特列原理）．制備純堿（Na2CO3），主要利用NaHCO3在溶液中溶解度較小，所以先制得NaHCO3，再利用碳酸氫鈉不穩(wěn)定性分解得到純堿。
要制得碳酸氫鈉就要有大量鈉離子和碳酸氫根離子，所以就在飽和食鹽水中通入氨氣，形成飽和氨鹽水，再向其中通入二氧化碳，在溶液中就有了大量的鈉離子、銨根離子、氯離子和碳酸氫根離子，這其中NaHCO3溶解度最小，所以析出，其余產(chǎn)品處理后可作肥料或循環(huán)使用．
2. 化學(xué)反應(yīng)原理：侯氏制堿法原理（又名聯(lián)合制堿法）
NH3 CO2 H2O=NH4HCO3
NH4HCO3 NaCl=NaHCO3↓ NH4Cl （在反應(yīng)中NaHCO3沉淀，所以這里有沉淀符號(hào)）
總反應(yīng)方程式：
NaCl CO2 H2O NH3=NaHCO3↓ NH4Cl
2NaHCO3Na2CO3 H2O CO2↑（CO2循環(huán)使用）
注意：NaCl（飽和溶液） NH3（先加） H2O（溶液中） CO2（后加）=NH4Cl NaHCO3↓?（溶解度一般，因?yàn)椴粩嗵砑釉线_(dá)到溶液飽和才沉淀）
（先添加NH3而不是CO2：CO2在NaCl中的溶解度很小，先通入NH3使食鹽水顯堿性，能夠吸收大量CO2氣體，產(chǎn)生高濃度的HCO3-，才能析出NaHCO3晶體．）
3. 侯氏制堿法的優(yōu)點(diǎn)：保留了氨堿法的優(yōu)點(diǎn)，消除了它的缺點(diǎn)，使食鹽的利用率提高到96%；NH4Cl可做氮肥；可與合成氨廠聯(lián)合，使合成氨的原料氣CO轉(zhuǎn)化成CO2，革除了CaCO3制CO2這一工序．
侯氏制堿法又稱聯(lián)合制堿法，是我國(guó)化學(xué)工程專家侯德榜于1943年創(chuàng)立的。不僅對(duì)我國(guó)的化學(xué)工業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)，在世界上也享有盛譽(yù)。
值得注意的是：”侯氏制堿法“中所制得的 “堿” 并不是我們熟知的------”燒堿“氫氧化鈉NaOH，而是--------”純堿“Na2CO3。這里就需要另外一種工業(yè)上常見(jiàn)的“工業(yè)制燒堿法” 進(jìn)行區(qū)別了
工業(yè)制堿法
工業(yè)制燒堿有苛化法和電解法
一、純堿苛化法：將純堿、石灰分別經(jīng)化堿制成純堿溶液、石灰制成石灰乳，于99～101℃進(jìn)行苛化反應(yīng)，苛化液經(jīng)澄清、蒸發(fā)濃縮至40%以上，制得液體燒堿．將濃縮液進(jìn)一步熬濃固化，制得固體燒堿成品．苛化泥用水洗滌，洗水用于化堿．Na2CO3 Ca（OH）2=2NaOH CaCO3↓
二、電解法：1、電解法簡(jiǎn)介：工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來(lái)制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)．氯堿工業(yè)是最基本的化學(xué)工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，還廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)以及公用事業(yè)．?
2、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理：2NaCl 2H2OH2↑ Cl2↑ 2NaOH
因?yàn)镹aCl是強(qiáng)電解質(zhì)，在溶液里完全電離，水是弱電解質(zhì)，也微弱電離，因此在溶液中存在Na 、H 、Cl-、OH-四種離子．當(dāng)接通直流電源后，帶負(fù)電的OH-和Cl-向陽(yáng)極移動(dòng)，帶正電的Na 和H 向陰極移動(dòng)．Cl-比OH-更易失去電子，在陽(yáng)極被氧化成氯原子，氯原子結(jié)合成氯分子放出，使?jié)駶?rùn)的淀粉碘化鉀溶液變藍(lán)．H 比Na 容易得到電子，因而H 不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結(jié)合成氫分子從陰極放出．在上述反應(yīng)中，H 是由水的電離生成的，由于H 在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H 和OH-，H 又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對(duì)地增大，使酚酞試液變紅．因此：陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)）陰極反應(yīng)：2H 2e-=H2↑（還原反應(yīng)）?
工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理，制取燒堿、氯氣和氫氣．