高中化学第三章自然界中的元素第4节海水中的元素学案鲁科版.docx

第4节海水中的元素1海水元素宝库海水中含有丰富的化学资源，含有的元素大部分以盐的形式存在。元素周期表中的110多种元素，有80多种能在海水中找到。海水中元素含量的差异是很大的，根据在海水中含量的多少，人们常把海水中的元素分为常量元素和微量元素。(1)常量元素氯、钠、镁、硫、钙、钾、碳、锶(Sr)、溴(Br)、硼(B)、氟(F)这11种元素在每升海水中的含量均大于1 mg，我们把每升海水中含量大于1 mg的元素，称为常量元素，海水中的常量元素占海水所溶解物质总量的99.9%。加碘食盐的标志海水中的常量元素大部分以盐的形式存在，其中NaCl占80%以上。食盐不仅是调味品，而且是人体必需品，还被称为“化工之母”，大部分食盐被用于化工生产。(2)微量元素在每升海水中含量低于1 mg的元素称为海水中的微量元素。虽然这些元素的含量低，但由于海水总量很大，所以它们的总储量也很大。重要的微量元素及其用途如下：锂(Li)：热核反应的重要材料之一，也是制造锂电池和特种合金的原料。碘(I)：碘酒消毒，碘是人体必需元素，食盐加碘(KIO3)，以防形成甲状腺肿(俗称“大脖子病”)。铀(U)：做热核反应堆的原料。(3)氯碱工业我国有着悠久的生产食盐的历史，同时又是当今世界生产食盐最多的国家。食盐不仅是常用的调味品，而且是人体必需的物质，它对人体的血液循环和新陈代谢都有着重要的作用。人体缺盐会感到头晕、倦怠、全身无力，学习和工作效率降低，长期缺盐甚至会导致心脏病，然而过多地摄入食盐又可能引起肾脏疾病和高血压病等。健康成年人摄入食盐量以每天26 g为宜。食盐还是一种重要的化工原料。如下图所示，以饱和食盐水为主要原料可生产出若干种重要的工业原料或产品，这样的一类化学工业叫做氯碱工业。其中由饱和食盐水制备氢气、氯气和氢氧化钠的化学反应方程式为：2NaCl2H2OH2Cl22NaOH，离子方程式为：2Cl2H2OH2Cl22OH。氯碱工业及有关化工产品【例1】 水资源非常重要，联合国确定2003年为国际淡水年。下列关于水的说法中错误的是()A蒸馏法是海水淡化的方法之一B淡水的密度小于海水的密度C融化的雪水中矿物质含量比深井水中的少D氯碱工业就是获得食盐解析：淡水的密度小于海水的密度，因为海水中含有NaCl、MgCl2等盐；雪水是软水，而深井中的水是硬水，一般含有Ca2、Mg2等；氯碱工业是以食盐为主要原料生产工业产品的一类行业，所以D错。答案：D2.镁和海水提镁(1)海水提镁海水提镁最基本的方法就是往海水里加碱，得到Mg(OH)2沉淀，将沉淀过滤分离再加入盐酸把它变成MgCl2之后，经浓缩、干燥、电解，就可得到金属镁。海水提镁的工业流程如下图所示：海水中提镁的主要过程及反应为：分解贝壳生产Ca(OH)2：CaCO3CaOCO2，CaOH2O=Ca(OH)2。沉淀Mg2：Mg2Ca(OH)2=Mg(OH)2Ca2。制备MgCl2：Mg(OH)22HCl=MgCl22H2O。制取Mg：MgCl2(熔融)MgCl2。析规律 化工生产中的注意事项：对于化学工业生产，要提高经济效益，应考虑以下几个方面：原料是否丰富、廉价。尽可能采取循环利用部分产物或原料。工业流程设计是否科学、合理。是否符合环保要求。选厂址时还要考虑原料、能源、运输等方面。【例21】 海水的综合利用可以制备金属镁，请回答下列问题：(1)海水提镁要用到海滩上的贝壳。贝壳的作用是_ _，贝壳所经历的变化的化学方程式为_。(2)Mg(OH)2沉淀中混有的Ca(OH)2应怎样除去？请写出实验步骤：_ _。解析：以海水为原料制备金属镁的流程为：海水Mg(OH)2MgCl2Mg。答案：(1)提供反应所需的碱CaCO3CaOCO2，CaOH2O=Ca(OH)2(2)加入MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，用水洗涤沉淀(2)镁的性质镁的物理性质：镁是一种银白色金属，密度小，熔点低，硬度小，有良好的导电性、导热性和延展性，与其他金属易构成性能优良的合金。镁的化学性质镁原子的最外层有2个电子，在发生化学反应时，非常容易失去电子，体现出较强的还原性。可以与非金属单质、酸、盐以及某些氧化物反应。a镁与非金属单质的反应实验步骤：取一根镁条，用砂纸擦掉表面的氧化膜，用坩埚钳夹住镁条，点燃观察现象。实验现象：反应剧烈，发出耀眼的白光，生成白色固体。实验结论：2MgO22MgO(放热反应)镁除了可以与O2反应外，还可以与Cl2、N2等发生反应，化学方程式为：MgCl2MgCl23MgN2Mg3N2说明：镁是活泼金属，易被氧化，但却具有抗腐蚀性，因为常温下，镁易与空气中的氧气反应，在其表面生成一层致密的氧化膜，阻止内部的金属继续反应。b镁与酸的反应与非氧化性酸反应，产生H2：Mg2HCl=MgCl2H2MgH2SO4=MgSO4H2与氧化性酸反应，一般不产生H2：Mg2H2SO4(浓)=MgSO4SO22H2O3Mg8HNO3(稀)=3Mg(NO3)22NO4H2Oc镁与某些盐溶液的反应金属镁是一种活泼金属，可以把金属活动顺序表中镁后面的金属从其盐溶液中置换出来。MgCuSO4=MgSO4Cud镁与非金属氧化物反应实验步骤：取一根镁条，用砂纸擦掉表面的氧化膜，用坩埚钳夹住镁条，点燃后伸入盛有CO2的集气瓶中，如下图所示，观察发生的现象。实验现象：镁在二氧化碳中继续燃烧，生成白色固体和黑色固体。实验结论：2MgCO22MgOC镁与二氧化碳的反应是典型的置换反应，镁作还原剂，二氧化碳作氧化剂。由于镁单质在加热的条件下，与二氧化碳发生剧烈的反应，所以镁单质在空气中失火后，不能用泡沫灭火器来灭火。CO2与灭火：CO2对绝大多数可燃物是良好的灭火剂，而对K、Na、Ca、Mg等可燃物却是助燃剂。(3)镁的用途镁是一种轻金属，它的主要用途是制造合金，镁合金的强度高、机械性能好。镁和铝制成的合金可克服纯镁和纯铝的硬度、强度较低，不适于制造机械零件的缺点。例如含有硅、铜、锌、锰等元素的镁铝合金具有质轻、坚韧、机械性能好等许多优良性质，用途极为广泛。可用来做机械零件、车床材料、门窗等。镁的这些性质使金属镁成为制造汽车、飞机、火箭的重要材料，从而获得“国防金属”的美誉。在冶金工业上，金属镁常用作还原剂和脱氧剂。【例22】 镁粉在焰火、闪光粉、鞭炮中是不可缺少的原料。工业制造镁粉是将镁蒸气在某气体中冷却，下列可作为冷却气体的是()空气CO2ArH2N2A和 B和 C和 D和解析：本题主要考查了镁的性质。镁蒸气在某气体中冷却，则该气体必须在高温下不与镁发生化学反应，高温下氧气、氮气、二氧化碳都能与镁发生化学反应，故正确答案为C。答案：C3.溴和海水提溴(1)溴单质和碘单质的物理性质氯、溴和碘等元素在原子结构和元素性质方面具有一定的相似性，化学上常把它们放在一起研究。氯、溴和碘这三种元素都属于卤族元素(简称卤素)，它们在元素周期表中排在同一纵行。实验1实验探究：溴单质和碘单质的物理性质。实验目的：了解Br2和I2在物理性质上的异同。实验步骤：观察溴单质和碘单质的状态、颜色；取少量溴单质和碘单质，分别观察它们在水、酒精及四氯化碳中的溶解情况和所形成溶液的颜色。实验记录：见下表物质溴(Br2)碘(I2)颜色深红棕色紫黑色(有金属光泽)状态液体固体溶解性和溶液颜色水中可溶；橙色微溶；褐色酒精中易溶；橙红色易溶；紫红色四氯化碳中易溶：橙红色易溶；紫红色小结：卤素单质都有颜色，都有毒性，在水中的溶解度都不大，易溶于苯、四氯化碳(CCl4)、汽油等有机溶剂。卤素单质在常温下的状态从气态到液态到固体，单质的熔、沸点逐渐升高。实验2实验目的：探究碘在加热时的变化。实验步骤：如下图所示，取少量碘单质，放入烧杯中，将盛有冷水的圆底烧瓶置于烧杯上方。加热烧杯，观察现象。实验现象：紫黑色的固体直接变成了紫红色的蒸气，在烧瓶底部又有紫黑色的固体附着。实验结论：固态碘在加热的条件下可直接由固态变为气态，即碘容易升华。(2)萃取：利用溶质在互不相溶的溶剂中溶解性的不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂所组成的溶液中提取出来的方法，叫萃取。实验探究：从溴水和碘水中萃取溴和碘。实验步骤：检查分液漏斗是否漏水。关闭分液漏斗活塞，将溴水(约5 mL)倒入其中，再加入约3 mL CCl4，盖好分液漏斗的玻璃塞。用左手轻轻压住玻璃塞，右手握住活塞处，然后倒转漏斗，用力振荡摇匀，并不时旋开活塞放气。将分液漏斗垂直放在铁架台的铁圈上，如图所示。将漏斗上口的玻璃塞打开，静置，观察现象。打开分液漏斗的活塞，用锥形瓶接收下层液体。从分液漏斗上口倒出上层液体。用碘水代替溴水，重复以上操作。实验现象：混合液体静置分层，上层都近乎无色，萃取溴时，下层呈橙红色，萃取碘时，下层呈紫红色。实验结论：利用溴和碘在水和有机溶剂中溶解性的不同可用CCl4将溴水中的溴或碘水中的碘萃取出来。谈重点 萃取与分液：萃取剂必须符合三个条件：萃取剂与原溶剂互不相溶，萃取剂与原溶液不发生反应；溶质在萃取剂中的溶解性比在原溶剂中的溶解性大。萃取常在分液漏斗中进行，分液是萃取操作中的一个步骤，分液常用于将两种互不相溶的液体分开。分液时，打开分液漏斗的活塞，将下层液体从下口放出，当下层液体刚好放完时要立即关闭活塞，将上层液体从分液漏斗上口倒出。(3)氯、溴和碘单质的氧化性强弱比较氧化还原反应发生：氧化剂A还原剂B还原产物C氧化产物D，则氧化性：AD，实验室中可以利用该原理比较不同物质的氧化性强弱。实验步骤和实验记录：实验步骤实验现象实验结论或化学方程式氯水NaBr溶液氯水滴入NaBr溶液中，溶液变黄色2NaBrCl2=2NaClBr2(2BrCl2=2ClBr2)氯水KI溶液氯水滴入KI溶液中，溶液变为深黄色2KICl2=2KClI2(2ICl2=2ClI2)溴水NaCl溶液无明显现象不反应溴水KI溶液溴水滴入KI溶液中，溶液变为深黄色2KIBr2=2KBrI2(2IBr2=2BrI2)碘水NaCl溶液无明显现象不反应碘水NaBr溶液无明显现象不反应通过实验可以看出氧化性：Cl2Br2I2。这是因为氯原子有三个电子层，溴原子有四个电子层，碘原子有五个电子层，随着电子层数的增加，原子得到电子的能力越来越小，表现为单质的氧化性越来越弱。(4)溴的提取与用途溴的提取溴单质的氧化性介于氯和碘单质的氧化性之间，因此，在海水提溴的化工生产中可以选用氯气作氧化剂。从海水中提取溴，一般要经历浓缩、氧化和提取三个步骤。a浓缩：海水中Br的含量一般为0.067 gL1，而苦卤(海水晒盐后得到的母液)中Br的含量大得多，可做提取溴的原料。在工业上，海水提溴可以和海水晒盐联合进行。b氧化：将Br转化为Br2需要加氧化剂，一般用氯气做氧化剂。Cl22Br=2ClBr2c提取：通过上述反应，生成的溴单质依然溶解在苦卤中，利用溴的挥发性，鼓入热空气或水蒸气，就可将溴分离出来。工艺流程如下图所示：溴的用途【例3】 向NaI和NaBr的混合溶液中通入过量的Cl2，充分反应后将溶液蒸干，灼烧残余物，最后剩下的物质是()ANaCl、I2、Cl2 BNaCl、I2CNaCl、NaBr DNaCl解析：卤素单质的氧化能力Cl2Br2I2，因而将过量的Cl2通入NaI和NaBr溶液中时，NaI和NaBr均能完全反应生成NaCl、I2和Br2，又因为Br2易挥发，I2易升华，因此将溶液蒸干、灼烧后就只剩下NaCl。答案：D过量Cl2通入NaBr、NaI溶液再加热蒸干，最后只剩NaCl。若少量Cl2通入NaI、NaBr溶液再加热蒸干，最后的固体物质可能是：NaCl、NaBr或NaCl、NaBr、NaI。4粗盐的精制粗盐中常含有Ca2、Mg2、SO等杂质，应设法将这些杂质除去，除杂步骤一般如下：(1)加过量BaCl2溶液，除去SO。(2)加过量NaOH溶液，除去Mg2。(3)加过量Na2CO3溶液，除去Ba2、Ca2，过滤。(4)向滤液中加入稀盐酸至溶液呈中性，除去CO和OH。析规律 提纯和分离物质的“四原则”、“三必须”：(1)“四原则”是：不增(提纯过程中不增加新的杂质)；不减(不减少被提纯的物质)；易分离(被提纯物质与杂质易分离)；易复原(被提纯物质要容易复原)。(2)“三必须”是：除杂试剂必须过量；过量试剂必须除尽(不能因为试剂过量带入新杂质)；除杂途径选最佳。【例4】 为了除去粗盐中Ca2、Mg2、SO及泥沙，可将粗盐溶于水，然后进行下列五项操作。其中正确的操作顺序是()过滤加过量的NaOH溶液加适量盐酸加过量Na2CO3溶液加过量BaCl2溶液ABC D解析：了解了各个实验步骤的目的，才能分清操作顺序。Ca2、Mg2、SO均可转化为不同的沉淀物质而除去。这里需要考虑两个问题。一是选用哪种试剂可使某离子沉淀最完全。如除去Mg2，可选CO，也可选OH作沉淀剂，两者比较，选OH较好。二是保证杂质离子除尽，所加试剂应过量。这样就出现除去了某离子，又带进了新的杂质的问题，所以在后续操作中还必须考虑除去前面操作中由于加入了过量试剂留下的杂质。如加过量的BaCl2溶液来除去SO以后，带入的Ba2将和Ca2一起用Na2CO3溶液除去，过量的OH和CO必须通过加适量的盐酸来除去。考虑到这一点，就可确定操作必须在操作之前，操作和操作必须在操作之前，过滤操作必须在加入适量盐酸之前进行。答案：CD5.卤素单质的氧化性和卤素阴离子X的还原性氧化性：F2Cl2Br2I2还原性：IBrClF(1)氧化性强的氧化剂与还原性强的还原剂能发生氧化还原反应，生成氧化性弱的氧化产物和还原性弱的还原产物，反之，则不能发生反应。这既是判断氧化还原反应能否发生的依据，又是比较氧化性、还原性强弱的基本方法。例如F2的氧化性最强，它可将其他离子从其熔融盐中置换出来，F的还原性最弱。(2)当同一种氧化剂与多种还原剂作用时，首先是还原性最强的还原剂被氧化，还原性最强的还原剂被全部氧化后，再按还原性由强到弱的顺序依次氧化其他还原剂；当同一种还原剂与多种氧化剂作用时，首先是氧化性最强的被还原，氧化性最强的氧化剂被全部还原后，再按氧化性由强到弱的顺序依次还原其他氧化剂。【例5】 已知某溶液中Cl、Br、I的物质的量之比为234，现欲使溶液中的Cl、Br、I的物质的量之比改变成432，那么要通入Cl2的物质的量是原溶液中I的物质的量的()A.B.C. D.解析：Cl、Br、I的还原性逐渐增强，因而通入Cl2后，Cl2首先氧化I，在I全部被氧化后，才氧化Br，Cl一直不被氧化。由题意看出，I没有被完全氧化，说明Br没有被氧化，发生的反应只有Cl22I=I22Cl。设原溶液中Cl、Br、I的物质的量分别为2 mol、3 mol、4 mol，则根据离子方程式Cl22I=I22Cl，可知只要通入1 mol Cl2就可使溶液中的I由4 mol降到2 mol，而Cl由2 mol增至4 mol，且Br的物质的量保持不变，仍为3 mol，所以通入的Cl2与原溶液中I的物质的量之比为14。答案：C6卤素离子的检验方法在中学化学中，卤素离子的检验通常是指对Cl、Br、I等三种阴离子的检验，检验的方法是根据其特征性反应所表现出来的特征性质作出鉴别。Cl、Br、I等三种阴离子的特征性反应分两种类型，一是沉淀反应，二是还原反应，下面就其在离子检验中的应用作简要叙述。(1)沉淀检验法AgCl、AgBr、AgI三种卤化银的颜色分别为白色、淡黄色、黄色，它们都既不溶于水又不溶于酸。因此，可以用AgNO3溶液和稀硝酸作试剂检验Cl、Br、I三种阴离子。具体方法一般是先向被检验的溶液里滴加AgNO3溶液，再加入足量的稀硝酸，观察现象。若产生不溶于硝酸的白色沉淀，则被检验的溶液里含有Cl；若产生不溶于硝酸的淡黄色沉淀，则被检验的溶液里含有Br；若产生不溶于硝酸的黄色沉淀，则被检验的溶液里含有I。有关化学反应的离子方程式为：ClAg=AgClBrAg=AgBrIAg=AgI(2)还原检