2019高二化学实验5电解饱和食盐水学案.docx

电解饱和食盐水氯碱工业1、 电解饱和食盐水制烧碱、氯气、氢气2、 学会离子交换膜法制烧碱工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH阴极：2H+ +2e=H2 阳极：2Cl-2e=Cl2U形管、电流表、碳棒、铁棒、离子交换膜电解槽、饱和食盐水、酚酞溶液一般在惰性电极时，阴、阳离子的放电顺序如下：阴离子放电顺序：S2IBrClOH含氧酸根F阳离子放电顺序：Ag+Hg2+Fe3+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+Al3+Mg2+Na+Ca2+K+实验操作实验现象及解释按右图所示的装置，在U形管里倒入饱和食盐水，插入一根石墨棒做阳极，一根铁棒做阴极。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并用湿润的碘化钾试纸检验放出的气体。接通直流电源后，注意管内发生的现象。阳极碳棒上产生的有刺激性气味的气体（Cl2）能使湿润的碘化钾试纸变蓝；阴极铁棒上产生无色无味的气体（H2）；阴极区溶液变红。在食盐水中，存在着Na+、H+、Cl、OH四种离子，通电时，Na+、H+向阴极移动，Cl、OH向阳极移动，由于放电能力H+Na+，ClOH，因此在两极上分别发生阴极：2H+ +2e=H2 阳极：2Cl-2e=Cl2由于H+发生反应变成H2，破坏了附近水的电离平衡，促进了水继续电离，结果在阴极区溶液里OH的浓度增大而呈碱性。问题探究：上述实验装置制取氯气和烧碱有何不足？1、H2和Cl2混合遇火发生爆炸不安全2、Cl2会和NaOH反应，会使得到的NaOH不纯离子交换膜法制烧碱在电解槽中的阳极室加入精制饱和NaCl溶液，在阴极室加入含有少量NaOH的水，中间连有阳离子交换膜，接通电源阳极材料：金属钛网（涂钛钌氧化物）阴极材料：碳钢网（有镍涂层）阳离子交换膜：只允许阳离子通过在阳极室我们可以得到氯气和淡盐水，阴极室得到了氢气和NaOH溶液。阳极室：由于放电能力Cl OH，2Cl-2e=Cl2；阴极室：由于放电能力H+Na+，2H+2e=H2；H+发生反应变成H2，破坏了附近水的电离平衡，促进了水继续电离，结果在阴极室溶液里OH的浓度增大。由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，只允许Na+通过，而Cl、OH和气体则不能通过，所以Na+通过交换膜进入到阴极室与OH形成NaOH溶液离子交换膜的作用和功能？（1）阳离子交换膜，只允许阳离子通过；阴离子交换膜，只允许阴离子通过（2）把电解槽隔为阴极室和阳极室（3）防止氯气和氢气混合而引起爆炸；避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量和质量实验室电解饱和食盐水时，阳极和阴极材料能否调换，是否也能得到强氧化钠溶液、氢气、氯气？不能，若阳极材料是活性电极材料，则是电极材料本身先发生氧化反应，阳极：Fe-2e=Fe2+阴极室加入的纯水中为什么加入少量的NaOH？为了在电解开始时增强溶液的导电性，便于电解更好、更快的进行为什么要按上述方式加料？通电时，水在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出。由电解槽流出的阴极液中含有30%的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱、阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜；阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯（1）2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO+H2O（2）H2O+Cl2=HCl+HClO（3）H2+Cl2=2HCl（4）2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O（5）NaOH+CO2=NaHCO3因此主要产品有：32%氢氧化钠；50%氢氧化钠；固体氢氧化钠(片碱)；高纯盐酸；工业盐酸；次氯酸钠；氯气、液氯(液态氯气)；PVC(聚氯乙烯树脂，氯碱工业一般都伴随PVC树脂)；氢气等1氯碱工业的基本原理就是电解饱和食盐水。下列关于实验室电解饱和食盐水的说法中正确的说法是（）A可以选用炭棒作为阴、阳极材料，但阳极材料也可以用铁棒B用湿润的淀粉KI试纸靠近阴极区域，试纸变蓝C电解过程中，在阴极区域溶液中滴加酚酞，溶液变红色D实验结束后将溶液搅拌，然后用pH试纸检验，溶液呈中性【答案】C【解析】A金属做阳极，阳极是活泼金属铁本身放电，电极反应方程式为：Fe-2e=Fe2+，故A错误；B选用碳棒作为阴、阳极材料，电解饱和食盐水时，阴极反应式为：2H2O-2e=2OH+H2，阳极反应式为：2Cl-2e=Cl2，阴极产物为NaOH和氢气，无氯气，试纸不会变蓝，故B错误；C用惰性材料作阴极，电解饱和食盐水阴极上氢离子放电，同时得到氢氧根离子，在阴极区域溶液中滴加酚酞，溶液变红色，故C正确；D电解一段时间后，所得的电解质溶液是氢氧化钠溶液，将电解液全部转移到烧杯中，会显示碱性；故D错误；故答案为C。2工业上电解食盐水的阴极区产物是（）A氯气 B氢气和氯气 C氢气和氢氧化钠D氯气和氢氧化钠【答案】C【解析】电解饱和食盐水总反应：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2，阳极反应式为：2Cl2e=Cl2，阴极反应式：2H+2e=H2或2H2O2e=H2+2OH，因此阴极区的产物为氢气和氢氧化钠，答案选C。3下列指定反应的离子方程式正确的是（）A饱和Na2CO3溶液与CaSO4固体反应：CO+CaSO4CaCO3+SOB酸化NaIO3和NaI的混合溶液：I+IO+6H+=I2+3H2OCKClO碱性溶液与Fe(OH)3反应：3ClO+2Fe(OH)3=2FeO+3Cl+4H+H2OD电解饱和食盐水：2Cl+2H+Cl2+H2【答案】A【解析】A项，饱和Na2CO3溶液与CaSO4发生复分解反应生成更难溶于水的CaCO3，反应的离子方程式为CO+CaSO4CaCO3+SO，A项正确；B项，电荷不守恒，得失电子不守恒，正确的离子方程式为5I+IO+6H+=3I2+3H2O，B项错误；C项，在碱性溶液中不可能生成H+，正确的离子方程式为3ClO+2Fe(OH)3+4OH=3Cl+2FeO+5H2O，C项错误；D项，电解饱和食盐水生成NaOH、H2和Cl2，电解饱和食盐水的离子方程式为2Cl+2H2OCl2+H2+2OH，D项错误；答案选A。4下列有关氯碱工业的描述，正确的是（）A氯碱工业是指电解熔融氯化钠制取氯气的方法B氯碱工业只能得到氯气和氢氧化钠两种有价值的产品C实验室模拟氯碱工业制取氯气后所得溶液呈碱性D实验室模拟氯碱工业所得氯气不能直接排放，应用澄清石灰水吸收【答案】C【解析】A氯碱工业是指电解氯化钠溶液制取烧碱的方法，电解熔融氯化钠是制取钠的方法，故A错误；B氯碱工业能得到氯气、氢气、氢氧化钠三种有价值的产品，故B错误；C氯碱工业制取氯气后所得溶液是氢氧化钠溶液，溶液呈碱性，故C正确；D氯气有毒，实验室模拟氯碱工业所得氯气不能直接排放，尾气处理用氢氧化钠溶液吸收，故D错误；故选C。5下列关于“氯碱工业”的说法中，正确的是（）A“氯碱工业”的原料是Cl2和烧碱B“氯碱工业”的主要生产过程是电解饱和食盐水C“氯碱工业”的主要产品是纯碱D“氯碱工业”消耗的能源主要是热能【答案】B【解析】A“氯碱工业”的原料是饱和食盐水，故A错误；B“氯碱工业”的主要生产过程是电解饱和食盐水，产生氯气、氢气和氢氧化钠，故B正确；C“氯碱工业”的蛀牙生产过程是电解饱和食盐水，产生氯气、氢气、氢氧化钠，没有纯碱生成，故C错误；D“氯碱工业”消耗的能源主要是电能，故D错误；故选B6某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是（）Aa为正极，b为负极；NaClO和NaClBa为负极，b为正极；NaClO和NaClCa为阳极，b为阴极；HClO和NaClDa为阴极，b为阳极；HClO和NaCl【答案】B7ClO2是一种高效安全的杀菌消毒剂。用氯化钠电解法生成ClO2的工艺原理示意图如下图，发生器内电解生成ClO2。下列说法正确的是（）Aa气体是氯气，b气体是氢气B氯化钠电解槽内每生成2mol a气体，转移2mol eCClO2发生器中阴极的电极反应式为：ClO+2H+e=ClO2+H2OD为使a、b气体恰好完全反应，理论上每生产1molClO2需要补充44.8Lb气体（标况下）【答案】C【解析】由图中信息可知，电解食盐水时，阳极生成氯酸钠，阴极生成氢气，所以a为氢气；氯酸钠与盐酸发生反应生成二氧化氯和氯气，所以b为氯气。Aa气体是氢气，b气体是氯气，A不正确；B氯化钠电解槽内每生成2mol氢气，转移4mol e，B不正确；CClO2发生器中发生的反应是：2ClO+4H+2Cl=2ClO2 +Cl2+2H2O，电解时，阴极的电极反应式为ClO+2H+e=ClO2+H2O，C正确；D由C的分析可知，每生成1mol ClO2，需要1molClO，同时生成0.5mol氯气，根据电子守恒氯化钠电解槽内每生成1molNaClO3同时生成3molH2，为使a、b气体恰好完全反应，理论上每生产1mol ClO2需要补充2.5mol Cl2，在标况下其体积为56L，D不正确。本题选C。8以下关于氨碱法与联合制碱法的认识，不正确的是（）A氨碱法生产纯碱的原料便宜易得，步骤简单，是最早的制碱工艺B联合制碱法又称侯氏制碱法，是侯德榜在氨碱法的基础上改造形成的C在联合制碱法中，氯化钠的利用率比氨碱法中的高D联合制碱法避免了氨碱法中对氯化钙的处理【答案】A【解析】A氨碱法生产纯碱的原料为食盐和石灰石，便宜易得，但它并非最早的制碱工艺，最早的制碱方法是路布兰法，故A错误；B联合制碱法又称侯氏制碱法，是侯德榜在氨碱法的基础上改造形成的，联合制碱法循环物质：氯化钠，二氧化碳，最大的优点是把合成氨和纯碱两种产品联合起来，降低了成本，故B正确；C联合制碱法最大的优点是使食盐的利用率提高到96%以上，废弃物少，故C正确；D联合制碱法把合成氨和纯碱两种产品联合起来，将碱厂的无用的成分氯离子来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵；从而不再生成没有多大用处，又难于处理的氯化钙，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，故D正确；故选A。9当电解饱和食盐水时，如果有0.4 mol电子发生转移，在标况下产生气体的总体积是（）A22.4L B4.48L C8.96L D44.8L【答案】C10用石墨电极完成下列电解实验实验装置实验现象a处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化；d处试纸变蓝下列对实验现象的解释或推测不合理的是（）Aa为电解池的阴极Bb处有氯气生成，且与水反应生成了盐酸和次氯酸Cc处发生了反应：Fe-3e=Fe3+Dd处：2H2O+2e=H2+2OH【答案】C【解析】Aa处试纸变蓝，为阴极，生成OH，电极方程式为2H2O+2e=H2+2OH，故A正确；Bb处变红，局部褪色，是因为Cl2+H2O=HCl+HClO，HCl的酸性使溶液变红，HClO的漂白性使局部褪色，故B正确；CFe为c阳极，处发生了反应：Fe-2e=Fe2+，故C错误；Dd处试纸变蓝，为阴极，生成OH，电极方程式为2H2O+2e=H2+2OH，故D正确；答案为C。11利用右图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO。下列说法中，正确的是（）A该过程是将太阳能转化为化学能的过程B电极a表面发生还原反应C该装置工作时，H+从b极区向a极区移动D该装置中每生成1mol CO，同时生成1mol O2【答案】A【解析】A根据图示，该过程是将太阳能转化为化学能的过程，故A正确；B根据图示，电极a表面发生水转化为氧气的过程，反应中O元素的化合价升高，被氧化，发生氧化反应，故B错误；C根据图示，a为负极，b为正极，H+从a极区向b极区移动，故C错误；D根据得失电子守恒，该装置中每生成1mol CO，同时生成mol O2，故D错误；故选A。12电解饱和食盐水是氯碱工业基础。（1）写出电解饱和氯化钠溶液时的总的离子反应方程式：_。（2）当阴极产生1mol H2时，通过阳离子交换膜的Na+有_mol；（3）产生的氯气可用于制TiCl4，但TiO2与Cl2难以直接反应，加碳生成CO、CO2可使反应得以进行。回答：已知：TiO2(s) +2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g) H1=+175.4kJmol12C(s)+O2(g)=2CO(g) H2=220.9kJmol1TiO2与Cl2难以直接反应的原因是_加碳生成CO、CO2后得以进行原因是_（4）氯碱工业是高耗能产业，一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节(电)能30%以上。在这种工艺设计中，相关物料的传输与转化关系如图所示，其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过。图中Y是_ (填化学式)；写出燃料电池B中负极上发生的电极反应：_比较图示中氢氧化钠溶液质量分数的大小：a%_b%（填、或）【答案】（1）2Cl+2H2O2OH+H2+Cl2（2）2（3）H-TS0；TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g) H=-45.5kJmol1，反应H0，H-TS0使反应得以进行（4）H2；H2 +2OH-2e=2H2O；【解析】（1）电解饱和食盐水时，阳极上氯离子放电，阴极上氢离子放电，同时溶液中生成氢氧化钠，所以电解池的总反应为：2Cl+2H2O2OH+H2+Cl2；（2）当阴极产生1mol H2时，溶液中产生2mol OH，通过阳离子交换膜的Na+有2mol；（3）根据焓判据和熵判据判断反应的方向；TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g) H1=+175.4kJmol1；2C(s)+O2(g) =2CO(g) H2=220.9kJmol1；根据盖斯定律，两式相加得TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g) H =-45.5kJmol1；反应H0，H-TS0，故反应可自发进行；（4）电解饱和食盐水时，阳极上氯离子失电子生成氯气，阴极上氢离子得电子生成氢气，故Y为H2；氢氧燃料电池的电解质是碱时，电池总反应式均可表示为：2H2+O2=2H2O，其负极反应表示为：H2+2OH-2e=2H2O；由于燃料电池正极发生O2+4e+2H2O=4OH，燃料电池中的离子膜只允许阳离子通过，而燃料电池中正极氧气得到电子产生OH，所以反应后氢氧化钠的浓度升高，即a%小于b% 。12爱国实业家侯德榜在氨碱法的基础上，发明了“联合制碱法”，简单流程如图。完成下列问题：（1）在饱和食盐水中通入X和Y，则X_和Y_（填物质名称），先通X后通Y的原因是_。（2）写出通入X和Y的化学反应方程式_。（3）操作Z包括_和_（填名称）。（4）溶液B中含有的主要离子是_，为了得到化肥（NH4Cl），需要在溶液B中通入NH3、冷冻、加食盐，其中通入NH3的作用一_，作用二_。（5）工业生产的纯碱常会含少量NaCl杂质。现用重量法测定其纯度，步骤如下： 称取样品ag，加水溶解； 加入足量的BaCl2溶液； 过滤、_、烘干、冷却、称量、烘干、冷却、_，最终得到固体bg。样品中纯碱的质量分数为_(用含a、b的代数式表示)。【答案】（1）氨气、二氧化碳；氨气在水中溶解度大，先通氨气有利于生成碳酸氢钠沉淀（2）NaCl + NH3+CO2 +H2O=NaHCO3+NH4Cl （3）过滤；洗涤（4）Na+、HCO、NH、Cl；将NaHCO3转化为Na2CO3；产生的NH有利于NH4Cl形成（5）洗涤；（再）称量；106b/197a【解析】（1）以食盐、氨和二氧化碳为原料来制取纯碱，氨气极易溶于水，先把氨气通入饱和食盐水中先形成碱性的盐溶液，然后通入二氧化碳气体，其水溶液显酸性，酸碱易发生中和反应，有利于碳酸氢钠沉淀，所以先通氨气，后通二氧化碳；正确答案：氨气二氧化碳；氨气在水中溶解度大，先通氨气有利于生成碳酸氢钠沉淀。（2）食盐水中通入氨气和二氧化碳后发生反应生成碳酸氢钠和氯化铵，化学反应方程式：NaCl+NH3+CO2+H2O =NaHCO3+NH4Cl；正确答案：NaCl +NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl。（3）分离固体和液体，进行过滤操作，再洗涤固体；所以操作Z包括过滤和洗涤；正确答案：过滤和洗涤。4）经过过滤后，滤液中含有氯化铵及少量碳酸氢钠，因此溶液B中含有的主要离子是Na+、HCO、NH、Cl；为了得到化肥（NH4Cl），需要在溶液B中通入NH3、冷冻、加食盐，由于氨水显碱性，就会将NaHCO3转化为Na2CO3，反应产生的NH有利于NH4Cl形成；正确答案：Na+、HCO、NH、Cl；将NaHCO3转化为Na2CO3；产生的NH有利于NH4Cl形成。（5）加入足量的BaCl2溶液发生反应:BaCl2+Na2CO3=BaCO3+2NaCl，Na2CO3BaCO3，根据原子守恒，通过称量沉淀碳酸钡的质量，来计算样品中纯碱的质量分数，需洗涤沉淀，除去杂质离子，且将沉淀冷却到室温，再称量所得固体，最终得到固体bg为BaCO3，根据碳守恒，纯碱的质量分数=100；正确答案：洗涤；称量；。13工业上以侯氏制碱法为基础生产焦亚硫酸钠（Na2S2O5）其制备工艺流程如下：已知：反应包含2NaHSO3Na2S2O5+H2O等多步反应（1）反应I的化学方程式为：_。（2）已知Na2S2O5与稀硫酸反应放出SO2，其离子方程式为：_。（3）反应I时应先通的气体为_，副