學了化學以後，我家的工廠破產了

想必這個夏天大家都沒少喝碳酸飲料。在享受清涼汽水的同時，你有沒有想過，這麼多瓶子里的二氧化碳都是哪裡來的？

感受過二氧化碳的洪荒之力嗎？圖片來源：soogif

先別急著搶答課堂上學過的鹽酸與碳酸鈣反應。這是一種典型的

實驗室製法

，如果你用這個路線來開工廠，肯定要賠得底褲都不剩

。不僅是二氧化碳，我們所學的氧氣、氫氣等氣體的實驗室製法，都是看起來很美但是極為敗家的方法。

為什麼學校要教我們這些奇奇怪怪的東西？真實的工業生產又如何保本賺錢？我們可以從幾個常見的案例中找到答案。

二氧化碳

石頭裡蹦出來的氣體

雖然工業製法與實驗室製法千差萬別，二氧化碳這東西還真都是「石頭裡蹦出來的」，這多虧了碳酸鈣有一個豐富、廉價的來源——石灰石。不過，工業生產中就沒有必要用鹽酸了，直接在高溫下煅燒石灰石，碳酸鈣會分解，同時生成生石灰（氧化鈣）和二氧化碳。生石灰是重要的乾燥劑、建築材料，煅燒法可謂一石二鳥。

你看這座山，就是做可樂的好材料。圖片來源：wikipedia

除此以外，關於二氧化碳不得不提的另一個火熱的領域叫做碳捕集（Carbon Capture and Storage），針對大型火電廠排出的大量高濃度二氧化碳，通過一系列吸收方法將二氧化碳吸收並封存，遏制溫室效應。目前這項事業方興未艾，已經有多個裝置正在建設。

氮氣&氧氣

這一趟，比南極還冷！

中學課本中，我們學習過用高錳酸鉀或氯酸鉀加熱製備氧氣，過氧化氫分解制氧氣，以及電解水製備氧氣。但是在工業中，可不會用上萬塊一噸的高錳酸鉀或氯酸鉀，氧氣和氮氣的來源還是來自於

免費的原料：空氣

空氣中氧氣占約21%，氮氣占約78%，那麼如何將這樣兩種充分混合的組分分開呢？經過幾十年的研究和改進，人們主要發展了兩種方法。一種叫做

深冷精餾

變壓吸附

精餾是一類利用兩種液體沸點不同來進行分離的方法的總稱。你沒聽錯，空氣也可以變成液體。在幾十倍大氣壓的壓力下，把溫度降到-160 ℃~-190 ℃，利用液態氧和液態氮的沸點不同，就可以用蒸餾的辦法將他們分離開。這種方法需要建設大規模的壓縮製冷裝置，所以也不是誰都用得起的，一般只用於石化行業等大量需要氮氣和氧氣的場所。

超低溫的液態氣體，可不是鬧著玩的！圖片來源：東方IC

對於較小規模的氧氣和氮氣需求，可以用變壓吸附法來解決。變壓吸附法利用了氧氣和氮氣另一項性質的差別：在一類多孔材料中的擴散速度不同。例如對於一段填充了多孔材料的管子，氮氣擴散得更快，氧氣擴散的更慢，所以越向管子深處，氮氣的濃度越高。設計好閥門切換的順序等流程，就可以達到分離氮氣和氧氣的目的。

氫氣

太美太危險

實驗室中，我們會電解水或用金屬與酸反應製備氫氣。在工業生產中，氫氣是一種重要的原料，也被視為一種未來的清潔燃料。那麼在工業生產中氫氣又是如何生產的呢？

一般對於工業上需要大規模使用氫氣的情況而言，無論是使用金屬和酸反應還是用電解水的方法，成本都太高了。以現在鋅的價格24000元每噸為例，按照方程式合成1標準立方米氫氣需要2.9 kg金屬鋅，這就是大約70元（還沒算硫酸的價格）。而天然氣制氫的成本會陡降至0.8~1.5元/標準立方米。因此，工業上主要採用成本低廉的煤或天然氣製備氫氣。

早期氫氣球的氣確實是在這種笨重的設備中用酸+金屬制出來的。不過這種昂貴的方法已經被淘汰了。圖片來源：東方IC

煤在部分燃燒的情況下，會生成一氧化碳和水。生成的一氧化碳通過一個被稱為水煤氣變換的反應和水反應生成氫氣和二氧化碳，分離除去二氧化碳後，就能得到純凈的氫氣了。

水煤氣變換反應：CO+H₂O == CO

2

對於使用天然氣作為原料的情況，反應也較為相似。甲烷分子與水蒸汽反應，生成一氧化碳和氫氣，一氧化碳又可經過水煤氣變換反應轉化為氫氣。

甲烷與水反應：CH₄+H₂O == CO+3H₂

此外，學術界還在研究如何將甲烷的利用和二氧化碳的利用結合起來生成氫氣。但是目前，這個仍然處於學術探索中，尚無工業化的實例。

氫氣有很多很特殊的性質，例如其分子太小，在高壓下甚至能滲入金屬原子之間的縫隙，穿透金屬管，形成所謂的「氫脆」的現象。因此，在工業中利用氫氣時，需要特殊設計、格外小心。因其易燃易爆的特性，在實驗室使用時也要特別注意。

實驗室里製備和使用氣體，最主要的考慮因素是

實驗原理清晰、製備方便快捷、現象明顯

，也就是說真的要「看起來很美」，才能既起到教學的目的

安全連續生產和低成本

知識點

化學九年級上

走進化學實驗室；

高錳酸鉀或過氧化氫分解制氧氣的方法反應快、操作簡便、便於收集，但成本高，無法大量生產，只能用於實驗室中。工業生產需考慮原料是否易得、成本是否低廉、能否大量生產以及對環境的影響等。

編輯：張帥琰

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