【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。??

第二章堿金屬??

§2-4氫氧化鈉（燒堿）的工業(yè)制法

【01】氫氧化鈉（燒堿）是一種重要工業(yè)原料，需要量很大，所以必須大量生產(chǎn)。工業(yè)上生產(chǎn)燒堿都采用電解食鹽水溶液的方法?，F(xiàn)在把這個工業(yè)制法的基本原理，設備和操作方法，原料和產(chǎn)品的處理等分段講述于下。

化學原理

【02】在第二冊電離學說一章中【山注，化2-4-08，傳送門CV21637542】，我們已經(jīng)知道，當直流電通過電解質(zhì)溶液時，離子會作定向的移動，而且分別在電極上放電發(fā)生氧化和還原反應。

【03】那末，當直流電通過食鹽NaCI水溶液時的情況怎樣呢？我們首先來考慮溶液中有哪些離子。氯化鈉是強電解質(zhì)，溶入水中即全部電離成離子：

【04】同時我們知道，水雖是極弱的電解質(zhì)，但畢竟也有少量的電離：

【05】因此，在溶液里存在四種離子：Na?，CI?，H?，OH?。

【06】當通入直流電時，原來不規(guī)則運動的離子，立即會定向移動：Na?和H?向陰極移動，CI?和OH?向陽極移動。

【07】在陰極的表面上，由于氫離子比鈉離子容易跟電子結合，所以氫離子首先從電極得到電子還原成中性氫原子，結合成氫氣分子從陰極放出：

【08】而Na?仍留在溶液中。

【09】在陽極的表面上，由于氯離子比氫氧根離子容易放出電子，所以氯離子首先失去電子，氧化成中性氯原子，結合成氯氣分子，從陽極放出：

【10】而OH?仍留在溶液中。

【11】這樣，電解食鹽水溶液的結果，得到了三種東西：在陰極上放出的氫氣，在陽極上放出的氯氣，留在溶液中由Na?和OH?組成的氫氧化鈉（如圖2·3(a)）。所以總的反應可合并寫成下列化學方程式：

【12】從圖里，不難看出將會有這樣的情況發(fā)生：(1)如果氫氣和氯氣從溶液中出來在容器的空間內(nèi)混和了，會引起爆炸；(2)如果溶液中NaOH積聚太多，濃度逐漸增大，氯氣不迅速離開容器，而重新溶解，它們就會發(fā)生下列反應：

【13】這樣使溶液含有雜質(zhì)了。

【14】因此，必須設法防止這些情況的發(fā)生。

【15】我們是否可以這樣設想：用一很薄隔膜使陽極區(qū)和陰極區(qū)分開，要求它既能防止氫氣和氯氣的混和，但又能讓溶液緩慢地滲過。這樣因氫氣和氯氣在空間中不混和就不會發(fā)生爆炸了，而電解還能進行。此外，在陰極區(qū)裝一個導管，緩慢而不斷地讓溶液流出，同時在陽極區(qū)也裝一個導管，緩慢而不斷地流入食鹽溶液以平衡之。這樣溶液中的氫氧化鈉濃度就不會變得太大，跟氯氣的副反應就不會發(fā)生了。

【16】這個想法是能夠辦到的，而且事實上也的確行之有效的。在實際操作中，是用一種多微孔的、用石棉布制成的薄膜——“隔膜”把兩極區(qū)隔開，用示意圖來表示，如圖2·3(b)所示。

【17】最后應該考慮一下，制成電解容器、導管和電極等的材料。我們知道，在反應前后的物質(zhì)中，氯氣和氫氧化鈉是有腐蝕性的，因此必須要用能抗蝕的材料。電極要導電，又必須要用導電體。根據(jù)這樣要求，一般選用石墨板做陽極，鐵板做陰極，鐵或陶器做容器和導管。至于具體的安排，則可以有各種形式了。

工業(yè)用電解槽和操作過程

【18】根據(jù)上述原理，工業(yè)用的電解槽有好幾種形式，主要的有水平式隔膜電解槽和垂直式隔膜電解槽兩種。

1、水平式隔膜電解槽

【19】這種電解槽是以隔膜水平地放置而命名的，如圖2·4所示。電解槽呈長方形，用水泥制成，槽里用瓷磚襯里，上面有水泥制的蓋.電解槽里并列著幾個石墨制成的電極作為陽極，陰極是用一塊和電解槽底面積相等的鐵絲網(wǎng)格，網(wǎng)格上緊貼著石棉布當作隔膜。槽頂有一較長導管，食鹽溶液可以從此連續(xù)地加入陽極區(qū)。槽底有一虹吸管，從此，燒堿溶液可以不斷流出。兩管都具有活門，可以調(diào)節(jié)流速。另外陽極區(qū)和陰極區(qū)各有一導管分別放出氯氣和氫氣。

【20】電解槽的操作是連續(xù)的：精制過的飽和食鹽溶液不斷地由槽頂長導管中緩緩地注入陽極區(qū)，透過隔膜流入陰極區(qū)，從槽底虹吸管中緩緩流出。維持一定流速，使溶液保持一定深度。導管的一端浸沒在電解槽內(nèi)食鹽溶液里，防止陽極區(qū)的氯氣從這個導管中逸出。氯氣（在飽和食鹽溶液里的溶解度比在水里的溶解度小得多）從陽極區(qū)另一導管中放出。氫氣從陰極區(qū)的導管放出。氫氧化鈉和沒有電解的食鹽的混和液——電解堿液，從槽底的虹吸管中緩緩流出。應用虹吸管是為了防止空氣進入陰極區(qū)去，如果空氣與氫氣混和后就容易發(fā)生爆炸。

【21】電解時電解槽里保持比較高的溫度——約80~85℃左右。提高溫度，是為了增快離子的運動速度，增強導電能力，從而減小電阻，以節(jié)省電能的消耗。但溫度也不應過高，否則將會增加水分的蒸發(fā)。

2、垂直式隔膜電解槽

【22】電解槽的隔膜和槽底垂直的，叫垂直式隔膜電解槽，如圖2·5所示。它的特點是占地面積小，電極呈板狀也垂直于槽底，板狀電極的兩個面都接觸食鹽水溶液，而且陽極和陰極一個間隔一個地、平行地排列著，電極的總面積很大，有利于氫氧化鈉的生成，其他和水平式隔膜電解槽完全相似。

原料和產(chǎn)品的處理

1、食鹽飽和溶液的精制

【23】為了提高電解效率，溶液應越濃越好，一般制成飽和溶液。由于工業(yè)用食鹽中常含有氯化鎂、氯化鈣等很多有害雜質(zhì)，它們不僅使制成的燒堿不純，而且在堿性溶液中，Ca??、Mg??等將生成氫氧化物（氫氧化鎂等）沉淀，堵塞隔膜孔隙，影響溶液的流通。所以溶液必須精制。精制的方法是很復雜的，將視雜質(zhì)而定。去除溶液里的Ca??、Mg??離子，可用碳酸鈉和氫氧化鈉，使生成碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀，經(jīng)澄清后過濾即可：

【24】其他如SO???離子也必須除去，可用氯化鋇使其沉淀出來。

2、燒堿水的處理

【25】從電解槽里流出來的溶液是氫氧化鈉和未經(jīng)電解的食鹽的混和溶液，一般濃度約為10%的稀堿液，俗稱10度燒堿水。由于溶液中含有大量食鹽，一般不適合應用，所以必須除去食鹽和濃縮溶液。處理方法是加熱蒸發(fā)。食鹽溶解度較小，蒸發(fā)過程中逐漸成晶體析出，使堿液的純度和濃度同時增大，濃縮到一定濃度后的燒堿溶液可以直接供某些工業(yè)應用，但也可以蒸發(fā)到全部水分除去為止，冷卻后成固體的燒堿供用。從蒸發(fā)析出的食鹽可再用來電解。

3、氫氣和氯氣的收集

【26】電解食鹽水的另外二種產(chǎn)品氫氣和氯氣也是工業(yè)上極重要的原料。它們的收集和處理方法在第二冊鹵素一章里已經(jīng)講過，這里不再重復了【山注，化2-1-03，傳送門CV20920656】。

【27】除了電解法以外，現(xiàn)在還廣泛應用苛化法來制取苛性鈉，它是用純堿溶液跟熟石灰混和一起加熱：

【28】這個復分解反應由于生成難溶的碳酸鈣，反應是可以完成的。

習題2-4

1、比較熔融的食鹽和食鹽水溶液的電解過程的相同點和不同點。寫出在兩個電極上發(fā)生的反應和電解反應的總方程式。

2、畫出水平式隔膜電解槽的示意圖，并在圖上注明：(1)陰極、陽極及其制作材料；(2)隔膜及其制作材料；(3)食鹽溶液的入口；(4)氯氣、氫氣和電解堿液的出口。

3、根據(jù)電解食鹽水溶液的基本原理，回答下列問題：

(1)為什么陽極不能用金屬材料制作？

(2)為什么要用隔膜把陰極區(qū)和陽極區(qū)隔開？

(3)為什么氫氧化鈉在陰極區(qū)生成？

(4)為什么電解時要維持較高的溫度？

(5)為什么食鹽溶液要精制？

4、連續(xù)操作法在電解食鹽溶液的操作中具有哪些優(yōu)點？

5、怎樣處理電解堿液？怎樣檢驗處理后的氫氧化鈉里還含有氯化鈉？

6、什么是苛性鈉？它在工業(yè)上有哪些用途？為什么苛性鈉中常含有些碳酸鈉？怎樣去檢驗它？

7、有一瓶苛性鈉，取出1克樣品溶于水中，用1M的鹽酸溶液滴定至中性，共用去23.5毫升鹽酸，如果樣品里不含有碳酸鈉和其他堿性的雜質(zhì)，則該樣品里含氫氧化鈉的百分率是多少？【94%】

8、把2克苛性鈉樣品溶于水中，在溶液里先加入硝酸至中性，然后加入過量硝酸銀溶液，有氯化銀沉淀生成。經(jīng)過濾、干燥得到0.287克氯化銀。問苛性鈉樣品里含食鹽的百分率是多少？【5.85%】