高中化學(xué)專題二從自然資源到化學(xué)品氯堿生產(chǎn)學(xué)案選修.docx

第二單元氯堿生產(chǎn)1了解氯堿生產(chǎn)的主要原理、重要設(shè)備、流程和意義，認識實際化工生產(chǎn)技術(shù)問題的復(fù)雜性，增強技術(shù)意識。2從氯堿工業(yè)流程與技術(shù)了解化學(xué)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，認識化學(xué)學(xué)科發(fā)展對化工生產(chǎn)技術(shù)進步的促進作用，認識化學(xué)工業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位。發(fā)明氯氣、芥子氣等毒氣的弗里茨哈伯，也曾是諾貝爾化學(xué)獎的得主。他在一戰(zhàn)時曾為德國政府研發(fā)生化武器，生產(chǎn)出的毒氣造成了近百萬人傷亡。盡管當(dāng)時表彰的是他關(guān)于合成氨的發(fā)現(xiàn)，不涉及毒氣的研制，但對于一個揚言制造殺人毒氣是為了盡早結(jié)束戰(zhàn)爭的人來說，他是否有資格接受這一神圣的獎項，引起了許多專家的激烈爭論。一、食鹽水的電解原理1氯堿工業(yè)氯堿工業(yè)是利用電解飽和食鹽水生產(chǎn)氯氣、燒堿和氫氣為基礎(chǔ)的工業(yè)體系。電解飽和食鹽水的原料比較豐富：在海水和大陸鹽湖中，食鹽含量很高；在有些地區(qū)，地下也蘊藏著豐富的食鹽礦。2電解飽和食鹽水(1)裝置。電解飽和食鹽水簡易裝置圖在大燒杯和蛋殼里裝入飽和食鹽水，用導(dǎo)線把碳棒、電池和螺旋狀鐵絲連接好，碳棒作陽極，與電源正極相連，鐵絲作陰極，與電源負極相連，接通直流電源。(2)現(xiàn)象及產(chǎn)物的檢驗?？吹綒馀莓a(chǎn)生后，用濕潤的淀粉碘化鉀試紙分別檢驗蛋殼內(nèi)碳棒周圍、燒杯溶液上方的氣體，觀察實驗現(xiàn)象。蛋殼內(nèi)碳棒周圍的氣體使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{，說明陽極生成的氣體為氯氣。而燒杯溶液上方的氣體遇到濕潤的淀粉碘化鉀試紙不變藍。用導(dǎo)管收集燒杯內(nèi)產(chǎn)生的氣體點燃，燃燒并產(chǎn)生淡藍色火焰，說明陰極生成了氫氣。分別在蛋殼和燒杯的溶液中滴入酚酞溶液，只有燒杯內(nèi)的溶液變紅色，說明陰極生成了氫氧化鈉。(3)反應(yīng)方程式。電極反應(yīng)式：陽極：2Cl2e=Cl2，發(fā)生氧化反應(yīng)。陰極：2H2e=H2，發(fā)生還原反應(yīng)?？偡磻?yīng)的化學(xué)方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。二、食鹽水電解工藝1食鹽水的精制粗鹽中含有泥沙和Ca2、Mg2、SO等雜質(zhì)，電解飽和食鹽水時要將粗鹽提純，通常除去粗鹽中雜質(zhì)需加入的試劑順序及其操作有BaCl2、NaOH、Na2CO3，過濾，鹽酸；BaCl2、Na2CO3、NaOH，過濾，鹽酸；NaOH、BaCl2、Na2CO3，過濾，鹽酸。其中操作較好。2食鹽水的電解工藝(1)隔膜法電解工藝石棉隔膜電解槽。電解槽用石棉隔膜隔成陰極室和陽極室，用石墨作陽極，鐵絲網(wǎng)作陰極。石棉隔膜能阻止氣體通過，但不能阻止水分子和離子通過。從陽極室向電解槽中注入經(jīng)凈化的飽和食鹽水，保持食鹽水的液面高于陰極室液面，使電解液從陽極室流向陰極室。在陽極上，Cl被氧化生成氯氣溶解在電解液中直至飽和，其余從陽極室放出；在陰極上，H放電產(chǎn)生的氫氣從陰極室放出。在陰極室形成的NaOH有少量滲透到陽極室，跟溶解在里面的氯氣發(fā)生反應(yīng)生成次氯酸鹽及氯酸鹽。(2)離子膜電解技術(shù)離子交換膜電解槽。本方法采用陽離子交換膜代替前面介紹的石棉隔膜，電解時，經(jīng)過凈化精制的純鹽水不斷送入陽極室，向陰極室不斷加入稀NaOH溶液。陽離子交換膜具有很好的選擇性，它只允許陽極室的Na、H透過交換膜進入陰極室。在陰極室放電產(chǎn)生氫氣。OH不能透過交換膜進入陽極室。在陽極室，Cl失去電子形成Cl2，交換膜阻止Cl2從陽極室遷移到陰極室。OH與從陽極室滲入的Na形成NaOH，產(chǎn)生的NaOH比較純。思考：隔膜和離子膜的作用有什么區(qū)別？提示：隔膜和離子膜的作用比較：電解NaCl時2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2，H2Cl22HCl，Cl22NaOH= NaClNaClOH2O，為了有效地防止H2、Cl2混合爆炸和Cl2與NaOH反應(yīng)使制得的NaOH不純，工業(yè)生產(chǎn)先后發(fā)明了立式隔膜法和離子膜法電解NaCl。這兩種膜作用不完全相同，都能有效防止H2與Cl2混合和Cl2與NaOH反應(yīng)，但隔膜不能阻止陰離子通過，從而使得到的燒堿純度較低。而離子膜具有選擇功能，只允許陽離子和水分子通過，這樣制得的堿純度高。三、法拉第電解定律英國科學(xué)家法拉第在1834年提出電解反應(yīng)中通過的電量和析出產(chǎn)物數(shù)量關(guān)系的定律：在電解時，電極上每通過96 500 C的電量就會有1_mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生1/Z_mol(Z是電極放電離子得失電子數(shù))電解產(chǎn)物。一、粗鹽精制精制食鹽水時經(jīng)常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使雜質(zhì)成為沉淀過濾除去，然后加入鹽酸調(diào)節(jié)鹽水的pH。例如：加入Na2CO3溶液以除去Ca2：Ca2CO=CaCO3加入NaOH溶液以除去Mg2、Fe3等：Mg22OH=Mg(OH)2Fe33OH=Fe(OH)3為了除去SO，可以先加入BaCl2溶液，然后再加入Na2CO3溶液，以除去過量的Ba2：Ba2SO=BaSO4，COBa2=BaCO3。這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2、Mg2等金屬離子，由于這些陽離子在堿性環(huán)境中會生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽離子交換塔，進一步通過陽離子交換樹脂除去Ca2、Mg2等。這時的精制鹽水就可以送往電解槽中進行電解了。二、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理1氯堿工業(yè)生產(chǎn)的原理電解陽極：2Cl2e=Cl2(氧化反應(yīng))陰極：2H2e=H2(還原反應(yīng))總化學(xué)方程式：2NaCl2H2OH2Cl22NaOH2設(shè)備：陽離子交換膜電解池(槽)(1)陽離子交換膜。陽離子交換膜具有很好的選擇性，它只允許陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，即只允許Na、H通過，而Cl、OH和氣體則不能通過。作用：既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用而影響燒堿的質(zhì)量。(2)圖示。離子交換膜法電解原理示意圖拓展思考：為什么電解食鹽水的陽極產(chǎn)物是氯氣，陰極產(chǎn)物是氫氣和氫氧化鈉？提示：(1)陽極產(chǎn)物的判斷。首先看電極，如果是活潑性電極(金屬活動性順序表中Ag之前)，則電極材料失電子，電極被溶解，溶液中的陰離子不能失電子。如果是惰性電極(Pt、Au、石墨)，則要再看溶液中陰離子的失電子能力。此時根據(jù)陰離子放電順序判斷。陰離子放電順序：S2IBrClOH含氧酸根F。(2)陰極產(chǎn)物的判斷。直接根據(jù)陽離子得電子能力進行判斷，陽離子得電子順序：AgHg2Fe3Cu2HPb2Sn2Fe2Zn2Al3Mg2NaCa2K。(3)氯堿工業(yè)電解食鹽水時，陽極為石墨，陰極為鐵網(wǎng)。NaCl是強電解質(zhì)，水是弱電解質(zhì)，在NaCl水溶液中共有四種離子Na、Cl、H、OH。通電后在電場力的作用下，Cl和OH向陽極移動，Na和H向陰極移動，在陽極上2Cl2e=Cl2，在陰極上2H2e=H2，從而在陽極區(qū)產(chǎn)生Cl2，在陰極區(qū)產(chǎn)生H2和NaOH。電解的總反應(yīng)方程式為2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。三、氯堿工業(yè)的應(yīng)用知識點1 粗鹽提純【例題1】為除去粗鹽中的Cu2、Mg2、Fe3、SO以及泥沙等雜質(zhì)，某同學(xué)設(shè)計了一種制備精鹽的實驗方案，步驟如下(用于沉淀的試劑稍過量)：稱取粗鹽溶解濾液精鹽(1)判斷BaCl2已過量的方法是_。(2)第步中，相關(guān)的離子方程式是_。(3)若先用鹽酸調(diào)pH再過濾，將對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，其原因是_。(4)為檢驗精鹽純度，需配制150 mL 0.2 molL1NaCl(精鹽)溶液，上圖是該同學(xué)轉(zhuǎn)移溶液的示意圖，圖中的錯誤是_。解析：加入BaCl2、NaOH、Na2CO3等沉淀劑后，產(chǎn)生BaSO4、Mg(OH)2、BaCO3、CaCO3沉淀，還有過量Na2CO3，需加入鹽酸使Na2CO3轉(zhuǎn)變成NaCl。但如果先加鹽酸再過濾，Mg(OH)2、BaCO3、CaCO3都可能溶解，造成產(chǎn)品純度不高。答案：(1)取第步后的上層清液12滴于點滴板上，再滴入12滴BaCl2溶液，若溶液未變渾濁則表明BaCl2已過量(2)Ca2CO=CaCO3；Ba2CO=BaCO3(3)先加鹽酸會有少量CaCO3、BaCO3等溶解，從而影響制得精鹽的純度(4)未用玻璃棒引流；未采用150 mL容量瓶點撥：關(guān)于粗鹽提純的操作，關(guān)鍵注意三點，一是每一步所加的試劑均過量，二是碳酸鈉在氯化鋇之后加，三是鹽酸最后加入。知識點2 氯堿工業(yè)【例題2】下列有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的敘述正確的是()。A合成氨生產(chǎn)過程中將NH3液化分離，可加快正反應(yīng)速率，提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率B硫酸工業(yè)中，在接觸室安裝熱交換器是為了利用SO3轉(zhuǎn)化為H2SO4時放出的熱量C電解飽和食鹽水制燒堿采用離子交換膜法，可防止陰極室產(chǎn)生的Cl2進入陽極室D電解精煉銅時，同一時間內(nèi)陽極溶解銅的質(zhì)量比陰極析出銅的質(zhì)量小解析：本題的C、D兩個選項涉及了電解池的應(yīng)用，其實都是考查電解原理，電解飽和食鹽水陰極室產(chǎn)生的是H2，Cl2在陽極上生成，所以C錯；電解精煉銅時要注意粗銅中含Zn、Fe、Ni、Ag、Pt、Au等，陽極開始放電的是Zn、Fe、Ni，而陰極上始終是Cu2得電子生成Cu，所以同一時間內(nèi)陽極溶解銅的質(zhì)量比陰極析出銅的質(zhì)量小，D對。答案：D點撥：電解池的應(yīng)用比較多，學(xué)生掌握起來感覺很麻煩?？偟膩碚f，無論是出什么樣的題目，考查電解池的哪種應(yīng)用，都是從實質(zhì)上考查電解的原理，這是以不變應(yīng)萬變的法寶。當(dāng)然，在此基礎(chǔ)上，還要抓住每種應(yīng)用的特點，小細節(jié)的變化，像電解飽和食鹽水制燒堿采用離子交換膜法的一些具體問題，電解精煉銅時陰陽兩極銅的量的問題，電鍍后溶液濃度不變等等，這也是近幾年來高考命題的熱點。【例題3】電解原理在化學(xué)工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。如圖表示一個電解池，裝有電解液a；X、Y是兩塊電極板，通過導(dǎo)線與直流電源相連。請回答以下問題：(1)若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，實驗開始時，同時在兩邊各滴入幾滴酚酞試液，則電解池中X極上的電極反應(yīng)式為_，在X極附近觀察到的現(xiàn)象是_。Y電極上的電極反應(yīng)式為_，檢驗該電極反應(yīng)產(chǎn)物的方法是_。(2)如果用電解方法精煉粗銅，電解液a選用CuSO4溶液，則X電極的材料是_，電極反應(yīng)式為_。Y電極的材料是_，電極反應(yīng)式為_。(說明：雜質(zhì)發(fā)生的電極反應(yīng)不必寫出)解析：(1)用惰性電極電解飽和食鹽水時，陽極反應(yīng)：2Cl2e=Cl2；陰極反應(yīng)：2H2e=H2。與電源正極相連的為陽極，反之為陰極。所以X為陰極，Y為陽極。X極在反應(yīng)過程中消耗了H2O電離出的H，溶液呈堿性，加入酚酞試液變成紅色；Y極產(chǎn)生Cl2，能使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兂伤{色。(2)電解精煉Cu時，用含雜質(zhì)的Cu為陽極，純Cu為陰極。反應(yīng)過程中陽極上的Cu以及比Cu活潑的金屬失去電子，成為離子，進入溶液，活動性比Cu差的金屬形成陽極泥；在陰極只有Cu2能得電子成為單質(zhì)，其他較活潑金屬對應(yīng)的離子不能得電子。根據(jù)裝置圖，X為陰極，Y為陽極。所以，X電極的材料是純銅，電極反應(yīng)式為Cu22e=Cu；Y電極的材料是粗銅，電極反應(yīng)式為Cu2e=Cu2。答案：(1)2H2e=H2放出氣體，溶液變紅2Cl2e=Cl2把濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在Y電極附近，試紙變藍色(2)純銅Cu22e=Cu粗銅Cu2e=Cu2點撥：本題考查的是電解食鹽水與電解精煉粗銅的基本反應(yīng)，抓住離子的運動方向、放電順序及電解精煉的基本規(guī)律便可迎刃而解。1“粗鹽提純”實驗中，蒸發(fā)時，正確的操作是()。A把渾濁的液體倒入蒸發(fā)皿內(nèi)加熱B開始析出晶體后用玻璃棒攪拌C待水分完全蒸干后停止加熱D蒸發(fā)皿中出現(xiàn)較多量固體時即停止加熱解析：“粗鹽的提純”實驗涉及溶解、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶等基本操作內(nèi)容，四項操作從始至終均要使用玻璃棒(加速溶解、引流、防迸濺)。為達到提純目的，過濾后要用澄清濾液進行蒸發(fā)，加熱至蒸發(fā)皿中出現(xiàn)較多固體時，停止加熱，利用蒸發(fā)皿的余熱使濾液蒸干(最后用玻璃棒把固體轉(zhuǎn)移到紙上，稱量后回收)。答案：D2在玻璃圓筒中盛有兩種無色的互不相溶的中性液體。上層液體中插入兩根石墨電極，圓筒內(nèi)還放有一根下端彎成環(huán)狀的玻璃攪棒，可以上下攪動液體，裝置如圖所示。接通電源，陽極周圍的液體呈現(xiàn)棕色，且顏色由淺變深，陰極上有氣泡生成。停止通電，取出電極，用攪棒上下劇烈攪動。靜置后液體又分成兩層，下層液體呈紫紅色，上層液體幾乎無色。根據(jù)上述實驗回答：(1)陽極上的電極反應(yīng)式為_。(2)陰極上的電極反應(yīng)式為_。(3)原上層液體是_。(4)原下層液體是_。(5)攪拌后兩層液體顏色發(fā)生變化的原因是_。(6)要檢驗上層液體中含有的金屬離子，其方法是_，現(xiàn)象是_。解析：(1)使用惰性電極(石墨)電解溶液時，陽極上離子按照I、Br、Cl、OH順序失電子，結(jié)合題目給出的“下層液體呈紫紅色”，可知這里是I失電子生成I2。所以陽極反應(yīng)是2I2e=I2。(2)電解時，陰極發(fā)生得電子反應(yīng)，溶液中能得電子變成氣體的只有H，生成H2。所以陰極反應(yīng)是2H2e=H2。(3)兩種無色的互不相溶的中性溶液，一為水溶液，一為有機溶劑。根據(jù)對電解過程的分析，反應(yīng)會產(chǎn)生I2，最后I2會被有機溶劑萃取。因為最后下層液體呈紫紅色，所以有機溶劑密度比水大。上層的水溶液應(yīng)該為含I的鹽溶液，例如KI溶液、NaI溶液等。下層液體為CCl4、CHCl3等密度比水大的有機溶劑。(5)I2在有機溶劑中的溶解度大于在水中的溶解度，所以絕大部分I2都轉(zhuǎn)移到有機溶劑中，有機溶劑顯示出紫紅色。(6)可以通過焰色反應(yīng)來檢驗。若前面填KI，則這里正確的方法是用鉑絲蘸取少量溶液放在無色火焰上灼燒，透過藍色鈷玻璃可觀察到火焰呈紫色其他合理答案也可。例如，若(3)中答NaI水溶液，這里答火焰呈黃色。答案：(1)2I2e=I2(2)2H2e=H2(3)KI(或NaI等)水溶液(4)CCl4(或CHCl3等)(5)I2在CCl4中的溶解度大于在水中的溶解度，所以絕大部分I2都轉(zhuǎn)移到CCl4中(6)焰色反應(yīng)透過藍色鈷玻璃觀察火焰呈紫色其他合理答案也可。例如，若(3)中答NaI水溶液，這里答火焰呈黃色3海水是取之不盡的化工原料資源庫，從海水中可提取各種化工原料。下列是工業(yè)上對海水的幾項綜合利用的示意圖：試回答下列問題：(1)粗鹽中含有Ca2、Mg2、SO等雜質(zhì)，精制時所用試劑為：A鹽酸；BBaCl2溶液；CNaOH溶液；DNa2CO3溶液。加入試劑的順序是_。(2)電解飽和食鹽水時，與電源正極相連的電極上發(fā)生的反應(yīng)為_。與電源負極