氯鹼工業(Chlor-alkali industry)

氯鹼工業(Chlor-alkali industry)
國立臺灣師範大學化學系大學部四年級陳昱勝

氯鹼工業(Chlor-alkali industry)顧名思義就是製備鹼與氯的方法。自從工業革命以後，酸與鹼在工業上的用途日益增大，由於化學工業發展的結果，酸與鹼更是化學工業的大宗。

在常溫下，氯氣是一種黃綠色、刺激性氣味、有毒的氣體，溶於水可生成鹽酸與次氯酸，並可進而製備過氯酸、氯酸、亞氯酸，皆為重要的工業原料。

氯氣得發現早在1774年由科學家卡爾•威廉•席勒(Carl Wilhelm Scheele)在實驗室裡利用鹽酸加上二氧化錳產生黃色氣體-氯氣。

HCl + MnO₂ → MnC_l2 + 2 H₂O + Cl₂

在工業上，氯氣常用電解食鹽水來生產製備，且可同時產生氫氣與氫氧化鈉，成為最有效率的製程方法。

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

圖片來源：John McMurry, Robert C. Fay, Chemistry, 4th Edition ,Chapter18

利用電解方法，陽極發生氧化反應：

2 Cl^– → Cl₂ + 2 e^–

陰極發生還原反應：

2 H₂O + 2 e^– → H₂ + OH^–
全反應為：2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

而在兩電極中間隔有選擇性透膜，可讓陽離子通過以維持電中性，並且隔離氯氣與氫氣以避免兩氣體混和。加上飽和食鹽水與水的不斷提供，如此一來，可不斷地產生氫氣、氯氣、與氫氧化鈉水溶液，可謂將效率發揮的淋漓盡致。

除了利用食鹽製備氫氧化納、氯氣、氫氣之外，另一著名的鹼氯工業為製備碳酸鈉。碳酸鈉不論是在工業上與生活中都是最常使用的弱鹼、應用於玻璃、洗衣粉、氧化鋁製備、水的淨化軟化及洗滌等等。工業上常使用的有兩種方法，分別為路布蘭法(Leblanc process)與索爾維法(Solvay process)。

路布蘭法(Leblanc process)：

1791年法國科學家尼古拉斯•勒布朗(Nicolas Leblanc)成功實現僅使用兩步驟即可從食鹽合成純的碳酸氫鈉的方法，由於步驟簡單，早期廣受業界使用：

以食鹽、硫酸、煤粉、石灰石為原料，將食鹽與濃硫酸在800~900℃下混和，釋放出氯化氫氣體，同時得到硫酸鈉，再將硫酸鈉與煤粉和石灰石充分混和鍛燒而得碳酸鈉。副產物氯化氫為重要的工業原料、硫化鈣則可回收轉製成硫酸或硫酸銨。

其反應式為：

2 NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 HCl
Na₂SO₄ + CaCO₃ + C → Na₂CO₃ + CaS +CO₂

索爾維法(Solvay process)：

1861年比利時化學家歐內斯特•索爾維(Ernest Solvay)發明了另之種製備碳酸鈉的方法，雖然其步驟複雜，但此方法消耗的原料少、成本低，成為到現今為止工業上最常使用的方法。

以食鹽、氨水、碳酸鈣為原料，碳酸鈣在高溫生成二氧化碳與氧化鈣，食鹽與二氧化碳和氨水反應生成碳酸氫鈉與氯化銨，碳酸氫鈉再加熱生成碳酸鈉、水、及二氧化碳，而生成的氯化銨可與氧化鈣反應生成氨水及氯化鈣。整個過程僅需持續提供碳酸鈣與食鹽，氨水與二氧化碳可循環再利用，即可持續產碳酸鈉與副產物氯化鈣。

其反應式為：

CaCO₃ → CO₂ + CaO
NaCl + CO₂ + NH₃ + H₂O → NaHCO₃ + NH₄Cl
2 NH₄Cl + CaO → 2 NH₃ + CaCl₂ + H₂O
2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

圖片來源：http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/Bicarb/SodiumBicarb.html

參考資料：
1. 路布蘭法http://en.wikipedia.org/wiki/Leblanc_process
2.電解食鹽水http://blog.udn.com/Gabriel33/6013067
3.氯鹼工業http://en.wikipedia.org/wiki/Chloralkali_process
4.碳酸鈉http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A2%B3%E9%85%B8%E9%92%A0
5.索爾維法http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/Bicarb/SodiumBicarb.html