許多植物體內含有碳酸鉀和碳酸鈉,當它們腐爛或被燒成灰燼後,其中含有一定量的碳酸鈉,其質量分數高達30%。400多年前我國明朝醫學家李時珍的《本草綱目》中就寫到:“采蒿蓼之屬,曬乾,燒灰,以原水淋汁。”這裡蒿和蓼都是草名。
歐洲人也知道從淋過海草灰的汁液中提取鹼。可是,隨著18世紀中期工業革命從英國開始後,紡織、印染、造紙、制皂和玻璃等工業需求的鹼量劇增,單靠從天然鹼和植物灰中提取的鹼明顯不足,這就需要人工製造。
化學家們根據分析,認識到食鹽和純鹼中含有共同的成分組成後,就開始著手將食鹽轉變成純鹼的嘗試。這從18世紀前半葉就開始了,但是都未獲得成功。
1783年,法國科學院以1200法郎高額獎金懸賞徵求製造純鹼的方法。
1789年,法國奧爾良地區封建主公爵的侍從醫生呂布蘭(N.Leblanc,1742—1806)成功地創造了一種制鹼的方法,1791年獲得專利,建立起日產250~300 kg的鹼廠。呂布蘭制鹼法所用的原料除食鹽外,還有硫酸、木炭和石灰石。生產主要分3步:
第一步利用硫酸將食鹽轉變為硫酸鈉:
2NaCl + H2SO4===Na2SO4 + 2HCl
第二步將硫酸鈉與木炭、石灰石在爐中共熱。爐中硫酸鈉與木炭作用後生成硫化鈉和一氧化碳:
Na2SO4 + 4C===Na2S + 4CO↑
接著硫化鈉與石灰石進行反應,生成碳酸鈉和硫化鈣:
Na2S + CaCO3===Na2CO3 + CaS
由於產物中混有未反應的黑炭,因此產物成黑色灰狀物,稱為黑灰。黑灰中含40%~45%的碳酸鈉。
第三步將黑灰用水浸取,溶液經濃縮後碳酸鈉結晶析出。硫化鈣不易溶於水,沉澱成渣子被棄掉。
1823年英國政府宣布食鹽免稅,促進了英國以食鹽為原料的化學工業的發展。企業家馬斯普拉特(J.Muspratt,1793—1886)抓住這一時機,將呂布蘭法傳到英國,先後在利物浦、牛頓、佛來明頓等地建廠,到1886年,英國已用呂布蘭法製取百萬噸純鹼。
呂布蘭法的副產品氯化氫最初排入大氣。英國議會通過管理條例,迫使生產者必須回收它。1836年肥皂製造商科塞(W.Gossage,1799—1877)創造用焦炭填充的洗滌塔。在塔內使從塔底上升的氯化氫氣體被下降的水吸收,製得鹽酸。1866年生產工作者迪肯(H.Deacon,1822—1876)和胡爾特(F.Hurter,1844—1896)將此氯化氫氣體與預熱的空氣混合通過銅和錳的氧化物,生成氯氣:
4HCl + O2===2H2O + 2Cl2
然後將氯氣通入石灰水中,得到漂白液:
2Cl2 + 2Ca(OH)2===ca(clo)2 + CaCl2 + 2H2O
工業化學家錢斯(A.M.Chance,1844—1917)將含有二氧化碳的煙道氣通入生產廢料中,使廢料硫化鈣轉變成硫化氫,然後用氧氣氧化成硫磺:
CaS + CO2 + H2O===CaCO3↓+ H2S
2H2S + O2===2S↓+ 2H2O
這樣不僅革新了呂布蘭法,又獲得了一系列的副產品,使呂布蘭法形成一個化工生產系統。化學工業就這樣逐漸興起。
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