高中化学专题二从自然资源到化学品氯碱生产学案选修.docx

第二单元氯碱生产1了解氯碱生产的主要原理、重要设备、流程和意义，认识实际化工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。2从氯碱工业流程与技术了解化学在工农业生产中的具体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。发明氯气、芥子气等毒气的弗里茨哈伯，也曾是诺贝尔化学奖的得主。他在一战时曾为德国政府研发生化武器，生产出的毒气造成了近百万人伤亡。尽管当时表彰的是他关于合成氨的发现，不涉及毒气的研制，但对于一个扬言制造杀人毒气是为了尽早结束战争的人来说，他是否有资格接受这一神圣的奖项，引起了许多专家的激烈争论。一、食盐水的电解原理1氯碱工业氯碱工业是利用电解饱和食盐水生产氯气、烧碱和氢气为基础的工业体系。电解饱和食盐水的原料比较丰富：在海水和大陆盐湖中，食盐含量很高；在有些地区，地下也蕴藏着丰富的食盐矿。2电解饱和食盐水(1)装置。电解饱和食盐水简易装置图在大烧杯和蛋壳里装入饱和食盐水，用导线把碳棒、电池和螺旋状铁丝连接好，碳棒作阳极，与电源正极相连，铁丝作阴极，与电源负极相连，接通直流电源。(2)现象及产物的检验。看到气泡产生后，用湿润的淀粉碘化钾试纸分别检验蛋壳内碳棒周围、烧杯溶液上方的气体，观察实验现象。蛋壳内碳棒周围的气体使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，说明阳极生成的气体为氯气。而烧杯溶液上方的气体遇到湿润的淀粉碘化钾试纸不变蓝。用导管收集烧杯内产生的气体点燃，燃烧并产生淡蓝色火焰，说明阴极生成了氢气。分别在蛋壳和烧杯的溶液中滴入酚酞溶液，只有烧杯内的溶液变红色，说明阴极生成了氢氧化钠。(3)反应方程式。电极反应式：阳极：2Cl2e=Cl2，发生氧化反应。阴极：2H2e=H2，发生还原反应。总反应的化学方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。二、食盐水电解工艺1食盐水的精制粗盐中含有泥沙和Ca2、Mg2、SO等杂质，电解饱和食盐水时要将粗盐提纯，通常除去粗盐中杂质需加入的试剂顺序及其操作有BaCl2、NaOH、Na2CO3，过滤，盐酸；BaCl2、Na2CO3、NaOH，过滤，盐酸；NaOH、BaCl2、Na2CO3，过滤，盐酸。其中操作较好。2食盐水的电解工艺(1)隔膜法电解工艺石棉隔膜电解槽。电解槽用石棉隔膜隔成阴极室和阳极室，用石墨作阳极，铁丝网作阴极。石棉隔膜能阻止气体通过，但不能阻止水分子和离子通过。从阳极室向电解槽中注入经净化的饱和食盐水，保持食盐水的液面高于阴极室液面，使电解液从阳极室流向阴极室。在阳极上，Cl被氧化生成氯气溶解在电解液中直至饱和，其余从阳极室放出；在阴极上，H放电产生的氢气从阴极室放出。在阴极室形成的NaOH有少量渗透到阳极室，跟溶解在里面的氯气发生反应生成次氯酸盐及氯酸盐。(2)离子膜电解技术离子交换膜电解槽。本方法采用阳离子交换膜代替前面介绍的石棉隔膜，电解时，经过净化精制的纯盐水不断送入阳极室，向阴极室不断加入稀NaOH溶液。阳离子交换膜具有很好的选择性，它只允许阳极室的Na、H透过交换膜进入阴极室。在阴极室放电产生氢气。OH不能透过交换膜进入阳极室。在阳极室，Cl失去电子形成Cl2，交换膜阻止Cl2从阳极室迁移到阴极室。OH与从阳极室渗入的Na形成NaOH，产生的NaOH比较纯。思考：隔膜和离子膜的作用有什么区别？提示：隔膜和离子膜的作用比较：电解NaCl时2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2，H2Cl22HCl，Cl22NaOH= NaClNaClOH2O，为了有效地防止H2、Cl2混合爆炸和Cl2与NaOH反应使制得的NaOH不纯，工业生产先后发明了立式隔膜法和离子膜法电解NaCl。这两种膜作用不完全相同，都能有效防止H2与Cl2混合和Cl2与NaOH反应，但隔膜不能阻止阴离子通过，从而使得到的烧碱纯度较低。而离子膜具有选择功能，只允许阳离子和水分子通过，这样制得的碱纯度高。三、法拉第电解定律英国科学家法拉第在1834年提出电解反应中通过的电量和析出产物数量关系的定律：在电解时，电极上每通过96 500 C的电量就会有1_mol电子发生转移，并产生1/Z_mol(Z是电极放电离子得失电子数)电解产物。一、粗盐精制精制食盐水时经常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使杂质成为沉淀过滤除去，然后加入盐酸调节盐水的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为了除去SO，可以先加入BaCl2溶液，然后再加入Na2CO3溶液，以除去过量的Ba2：Ba2SO=BaSO4，COBa2=BaCO3。这样处理后的盐水仍含有一些Ca2、Mg2等金属离子，由于这些阳离子在碱性环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜，因此该盐水还需送入阳离子交换塔，进一步通过阳离子交换树脂除去Ca2、Mg2等。这时的精制盐水就可以送往电解槽中进行电解了。二、电解饱和食盐水反应原理1氯碱工业生产的原理电解阳极：2Cl2e=Cl2(氧化反应)阴极：2H2e=H2(还原反应)总化学方程式：2NaCl2H2OH2Cl22NaOH2设备：阳离子交换膜电解池(槽)(1)阳离子交换膜。阳离子交换膜具有很好的选择性，它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，即只允许Na、H通过，而Cl、OH和气体则不能通过。作用：既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用而影响烧碱的质量。(2)图示。离子交换膜法电解原理示意图拓展思考：为什么电解食盐水的阳极产物是氯气，阴极产物是氢气和氢氧化钠？提示：(1)阳极产物的判断。首先看电极，如果是活泼性电极(金属活动性顺序表中Ag之前)，则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，则要再看溶液中阴离子的失电子能力。此时根据阴离子放电顺序判断。阴离子放电顺序：S2IBrClOH含氧酸根F。(2)阴极产物的判断。直接根据阳离子得电子能力进行判断，阳离子得电子顺序：AgHg2Fe3Cu2HPb2Sn2Fe2Zn2Al3Mg2NaCa2K。(3)氯碱工业电解食盐水时，阳极为石墨，阴极为铁网。NaCl是强电解质，水是弱电解质，在NaCl水溶液中共有四种离子Na、Cl、H、OH。通电后在电场力的作用下，Cl和OH向阳极移动，Na和H向阴极移动，在阳极上2Cl2e=Cl2，在阴极上2H2e=H2，从而在阳极区产生Cl2，在阴极区产生H2和NaOH。电解的总反应方程式为2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。三、氯碱工业的应用知识点1 粗盐提纯【例题1】为除去粗盐中的Cu2、Mg2、Fe3、SO以及泥沙等杂质，某同学设计了一种制备精盐的实验方案，步骤如下(用于沉淀的试剂稍过量)：称取粗盐溶解滤液精盐(1)判断BaCl2已过量的方法是_。(2)第步中，相关的离子方程式是_。(3)若先用盐酸调pH再过滤，将对实验结果产生影响，其原因是_。(4)为检验精盐纯度，需配制150 mL 0.2 molL1NaCl(精盐)溶液，上图是该同学转移溶液的示意图，图中的错误是_。解析：加入BaCl2、NaOH、Na2CO3等沉淀剂后，产生BaSO4、Mg(OH)2、BaCO3、CaCO3沉淀，还有过量Na2CO3，需加入盐酸使Na2CO3转变成NaCl。但如果先加盐酸再过滤，Mg(OH)2、BaCO3、CaCO3都可能溶解，造成产品纯度不高。答案：(1)取第步后的上层清液12滴于点滴板上，再滴入12滴BaCl2溶液，若溶液未变浑浊则表明BaCl2已过量(2)Ca2CO=CaCO3；Ba2CO=BaCO3(3)先加盐酸会有少量CaCO3、BaCO3等溶解，从而影响制得精盐的纯度(4)未用玻璃棒引流；未采用150 mL容量瓶点拨：关于粗盐提纯的操作，关键注意三点，一是每一步所加的试剂均过量，二是碳酸钠在氯化钡之后加，三是盐酸最后加入。知识点2 氯碱工业【例题2】下列有关工业生产的叙述正确的是()。A合成氨生产过程中将NH3液化分离，可加快正反应速率，提高N2、H2的转化率B硫酸工业中，在接触室安装热交换器是为了利用SO3转化为H2SO4时放出的热量C电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法，可防止阴极室产生的Cl2进入阳极室D电解精炼铜时，同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小解析：本题的C、D两个选项涉及了电解池的应用，其实都是考查电解原理，电解饱和食盐水阴极室产生的是H2，Cl2在阳极上生成，所以C错；电解精炼铜时要注意粗铜中含Zn、Fe、Ni、Ag、Pt、Au等，阳极开始放电的是Zn、Fe、Ni，而阴极上始终是Cu2得电子生成Cu，所以同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小，D对。答案：D点拨：电解池的应用比较多，学生掌握起来感觉很麻烦。总的来说，无论是出什么样的题目，考查电解池的哪种应用，都是从实质上考查电解的原理，这是以不变应万变的法宝。当然，在此基础上，还要抓住每种应用的特点，小细节的变化，像电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法的一些具体问题，电解精炼铜时阴阳两极铜的量的问题，电镀后溶液浓度不变等等，这也是近几年来高考命题的热点。【例题3】电解原理在化学工业中有广泛应用。如图表示一个电解池，装有电解液a；X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。请回答以下问题：(1)若X、Y都是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞试液，则电解池中X极上的电极反应式为_，在X极附近观察到的现象是_。Y电极上的电极反应式为_，检验该电极反应产物的方法是_。(2)如果用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则X电极的材料是_，电极反应式为_。Y电极的材料是_，电极反应式为_。(说明：杂质发生的电极反应不必写出)解析：(1)用惰性电极电解饱和食盐水时，阳极反应：2Cl2e=Cl2；阴极反应：2H2e=H2。与电源正极相连的为阳极，反之为阴极。所以X为阴极，Y为阳极。X极在反应过程中消耗了H2O电离出的H，溶液呈碱性，加入酚酞试液变成红色；Y极产生Cl2，能使湿润的淀粉碘化钾试纸变成蓝色。(2)电解精炼Cu时，用含杂质的Cu为阳极，纯Cu为阴极。反应过程中阳极上的Cu以及比Cu活泼的金属失去电子，成为离子，进入溶液，活动性比Cu差的金属形成阳极泥；在阴极只有Cu2能得电子成为单质，其他较活泼金属对应的离子不能得电子。根据装置图，X为阴极，Y为阳极。所以，X电极的材料是纯铜，电极反应式为Cu22e=Cu；Y电极的材料是粗铜，电极反应式为Cu2e=Cu2。答案：(1)2H2e=H2放出气体，溶液变红2Cl2e=Cl2把湿润的淀粉碘化钾试纸放在Y电极附近，试纸变蓝色(2)纯铜Cu22e=Cu粗铜Cu2e=Cu2点拨：本题考查的是电解食盐水与电解精炼粗铜的基本反应，抓住离子的运动方向、放电顺序及电解精炼的基本规律便可迎刃而解。1“粗盐提纯”实验中，蒸发时，正确的操作是()。A把浑浊的液体倒入蒸发皿内加热B开始析出晶体后用玻璃棒搅拌C待水分完全蒸干后停止加热D蒸发皿中出现较多量固体时即停止加热解析：“粗盐的提纯”实验涉及溶解、过滤、蒸发、结晶等基本操作内容，四项操作从始至终均要使用玻璃棒(加速溶解、引流、防迸溅)。为达到提纯目的，过滤后要用澄清滤液进行蒸发，加热至蒸发皿中出现较多固体时，停止加热，利用蒸发皿的余热使滤液蒸干(最后用玻璃棒把固体转移到纸上，称量后回收)。答案：D2在玻璃圆筒中盛有两种无色的互不相溶的中性液体。上层液体中插入两根石墨电极，圆筒内还放有一根下端弯成环状的玻璃搅棒，可以上下搅动液体，装置如图所示。接通电源，阳极周围的液体呈现棕色，且颜色由浅变深，阴极上有气泡生成。停止通电，取出电极，用搅棒上下剧烈搅动。静置后液体又分成两层，下层液体呈紫红色，上层液体几乎无色。根据上述实验回答：(1)阳极上的电极反应式为_。(2)阴极上的电极反应式为_。(3)原上层液体是_。(4)原下层液体是_。(5)搅拌后两层液体颜色发生变化的原因是_。(6)要检验上层液体中含有的金属离子，其方法是_，现象是_。解析：(1)使用惰性电极(石墨)电解溶液时，阳极上离子按照I、Br、Cl、OH顺序失电子，结合题目给出的“下层液体呈紫红色”，可知这里是I失电子生成I2。所以阳极反应是2I2e=I2。(2)电解时，阴极发生得电子反应，溶液中能得电子变成气体的只有H，生成H2。所以阴极反应是2H2e=H2。(3)两种无色的互不相溶的中性溶液，一为水溶液，一为有机溶剂。根据对电解过程的分析，反应会产生I2，最后I2会被有机溶剂萃取。因为最后下层液体呈紫红色，所以有机溶剂密度比水大。上层的水溶液应该为含I的盐溶液，例如KI溶液、NaI溶液等。下层液体为CCl4、CHCl3等密度比水大的有机溶剂。(5)I2在有机溶剂中的溶解度大于在水中的溶解度，所以绝大部分I2都转移到有机溶剂中，有机溶剂显示出紫红色。(6)可以通过焰色反应来检验。若前面填KI，则这里正确的方法是用铂丝蘸取少量溶液放在无色火焰上灼烧，透过蓝色钴玻璃可观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，这里答火焰呈黄色。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，所以绝大部分I2都转移到CCl4中(6)焰色反应透过蓝色钴玻璃观察火焰呈紫色其他合理答案也可。例如，若(3)中答NaI水溶液，这里答火焰呈黄色3海水是取之不尽的化工原料资源库，从海水中可提取各种化工原料。下列是工业上对海水的几项综合利用的示意图：试回答下列问题：(1)粗盐中含有Ca2、Mg2、SO等杂质，精制时所用试剂为：A盐酸；BBaCl2溶液；CNaOH溶液；DNa2CO3溶液。加入试剂的顺序是_。(2)电解饱和食盐水时，与电源正极相连的电极上发生的反应为_。与电源负极