高中化学 “海水淡化与现代水处理技术”例解苏教版选修6

“海水淡化与现代水处理技术”例题解析例1、海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如下图所示：（1）若在空气中加热MgCl26H2O，生成的是Mg（OH）Cl或MgO，写出相应反应的化学方程式 。用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁。在干燥的HCl气流中加热MgCl26H2O时，能得到无水MgCl2，其原因是 。（2）Mg（OH）2沉淀中混有的Ca（OH）2应怎样除去？写出实验步骤。_。（3）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过滤、蒸发三个步骤的操作中都要用到玻璃棒，分别说明在这三种情况下使用玻璃棒的目的；溶解时： 。过滤时： 。蒸发时： 。【解析】本题以海水制取金属镁为载体，较全面地考查了化学基本概念、基本原理、元素化合物和化学实验的基础知识，考查了学生的推理能力和实验基本操作能力。第（1）问根据提示的产物即可写出有关化学方程式：MgCl26H2OMg（OH）Cl+HCl+5H2O、MgCl26H2OMgO+HCl+5H2O或Mg（OH）ClMgO+HCl。从前面的反应方程式可知，空气中加热无法得到无水氯化镁。要得到无水氯化镁，必须防止其水解。根据氯化镁水解显酸性，干燥的HCl气流可以抑制MgCl2水解，同时能带走MgCl26H2O受热产生的水气。第（2）问考查了除杂的基本操作：粗略看都为碱，无法通过反应除去Ca（OH）2，仔细分析两种物质的性质差异，发现Mg（OH）2难溶而Ca（OH）2微溶。利用这一性质差别，可以加入MgCl2溶液，充分搅拌后过滤，沉淀用水洗涤即可除杂。第（3）问考查了玻璃棒在溶解、过滤、蒸发过程中的使用目的，属基本操作能力考查：溶解时能加速溶解；过滤时能防止外洒；蒸发时能防止液滴或晶体飞溅。【答案】（1）MgCl26H2OMg（OH）Cl+HCl+5H2O MgCl26H2OMgO+HCl+5H2O或Mg（OH）ClMgO+HCl 在干燥的HCl气流中，抑制了MgCl2水解，且带走MgCl26H2O受热产生的水气，故能得到无水MgCl2。（2）加入MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。（3）搅拌，加速溶解；使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒；搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅。例2、六价铬对人体有毒，含铬废水要经化学处理后才能排放，方法是用绿矾（FeSO47H2O）把废水中的六价铬还原为三价铬离子，再加入过量的石灰水，使铬离子转变为氢氧化铬Cr（OH）3沉淀。其主要反应的化学方程式如下：H2Cr2O7+6FeSO4+6H2SO4=3Fe2（SO4）3+Cr2（SO4）3+7H2O现用上法处理1104L含铬（+6价）78毫克/升的废水（Cr相对原子质量52），试回答:（1）处理后，沉淀物中除Cr（OH）3外，还有 、 （用化学式表示）。（2）需用绿矾多少千克?【解析】 本题以废水处理与净化为背景，考查化学基本知识和基本技能:离子方程式的判断和书写；根据化学关系式进行有关计算. （1）除了生成Fe（OH）3外，还要考虑CaSO4的溶解度较小，沉淀物会有CaSO4。（2）由反应方程式可得关系式： Cr 3 FeSO47H2O，可得：绿矾的质量为：12.51千克。与发生氧化还原反应生成及。再加入后、均转化为、。又与大量的形成沉淀。【答案】（1），（2）废水中含铬的物质的量需要绿矾的质量为即12.51kg。例3、 某化工厂排放的污水中含有Al3+、Hg2+、Fe3+、Cu2+四种离子，甲、乙、丙三位同学设计从污水中回收铜的方案如下：（1）以上实验方法能否得到铜（填“能”或“不能”）。甲_，乙_，丙_。（2）在制得铜的方案中会导致环境污染的一步操作是_，其原因是_。（3）在可制得铜的方案中，主要的离子方程式为：_。解析：（1）甲同学的方案中，加入NaOH所得沉淀至少含、三种沉淀，加热得到MgO、Fe2O3、CuO等，故通氢后不可能得纯铜。乙同学的方案。步骤所得滤渣有Hg、Fe、Cu三种物质，中除去Fe，中加热可除去Hg，同时得CuO，最后可得Cu。丙同学的操作所得滤渣为Fe、Cu、Hg，虽加热时可除去Hg，但Fe没除去，最后不可能得到纯铜。（2）由（2）的分析知，在步骤加热得CuO的同时，可生成汞蒸气会污染环境，可连接一个冷凝液化装置回收汞。（3）步骤发生的反应为Fe+2Fe3+=3Fe2+；Fe+Cu2+=Fe2+Cu；Fe+Hg2+=Hg+Fe2+步骤中的反应为Fe+2H+=Fe2+H2。答案:（1）不能 能 不能（2） 加热时可生成汞蒸气会污染环境（应装一个“冷凝液化”回收装置）（3）Fe+2Fe3+=3Fe2+ Fe+Cu2+=Fe2+CuFe+Hg2+=Hg+Fe2+ Fe+2H+=Fe2+H2例4：（2000，上海）.我国规定饮用水质量标准必须符合下列要求：pH值6.5-8.5Ca2+，Mg2+总浓度0.0045mol/L细菌总数 Na+。氢离子易失去电子，生成氢气。阴离子：Cl、OH。还原性：Cl OH。氯离子易失去电子，生成氯气。相应的电极反应为：阳极反应：2Cl2e =Cl2阴极反应：2H+ + 2e =H2因此在阳极产生氯气，在阴极生成氢气与氢氧化钠。总的电极反应方程式为：2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2+ H2可以总结出氯碱工业的化学原理：2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2+ H2，氯气可以与碱反应，氢气与氯气混合是一件很危险的事情。这都是在氯碱工业中应避免的问题，因此工业上采取的方法是利用离子交换法制烧碱，具体装置如图：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。离子交换膜法电解制碱的主要生产流程如下所示：AaXY为什么电解氯化钠水溶液是Cl-和H+被电解出来，其他离子不能，因为用惰性电极电解时，各阳离子的放电顺序：Ag+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+Al3+Mg2+Na+Ca2+K+（和金属活动顺序刚好相反）；阴离子的放电顺序：S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根离子。例1：（2020年全国理综）电解原理在化学工业中有广泛应用。右图表示一个电解池，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）如要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 ，电极反应式是 。Y电极的材料是 ，电极反应式是 。（说明：杂质发生的电极反应不必写出）解析：依照2020年考纲的要求，让学生回归教材，关注化学主干知识，引导学生自编知识网络，把知识转化为能力。考查电解原理在氯碱工业和铜的电解精炼中的应用，让学生写出电极反应式，这些式子在教材中都是现成的，但在2020年高考中，有很多学生写错或不会写，得分率不高，就说明复习备考中，忽略了“双基”，没有很好的回归教材，对这种复习的误区，因此我们平时一定要注意“双基”训练，要避免这种情况发生，这也是新课程标准的基本要求。根据图形，可以判断：X为阴极，H+在X极得到电子，生成氢气；Y为阳极，Cl-在Y极失去电子，生成氯气。是对电解运用于电镀的基本考察。答案：2H+ + 2e - = H2 放出气体，溶液变红。2Cl - - 2e - = Cl2 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近，试纸变蓝色。纯铜 Cu2+ + 2e - = Cu 粗铜Cu - 2e - = Cu2+例2：（2020江苏）下列反应的离子方程式书写正确的是（ ）电解A硫酸铝溶液中加入过量氨水 Al3+30HAl（OH）3B电解饱和食盐水 2Cl+2H2O H2+C12+20HC碳酸钙与盐酸反应 CaCO3+2H+Ca2+CO2 +H2OD硫酸亚铁溶液中加入用硫酸酸化的过氧化氢溶液 Fe2+2H+H2O2Fe3+2H2O解析：把电解氯化钠溶液的化学反应写成离子形式与其他粒子方程式写在一起，运用判断离子方程式正误的方法、电荷守恒和质量守恒来判断，A中氨水要写化学式，D中电荷不守恒答案：BC例3：（2020上海）下图中能验证氯化钠溶液（含酚酞）电解产物的装置是（ D）解析：本题是工业电解食盐水的简易装置，H+在阴极得到电子，生成氢气，用向下的排气法收集然后检验，溶液变红；Cl-在阳极失去电子，生成黄绿色氯气，酚酞变色后又被漂白，尾气用氢氧化钠吸收。答案：D例4 ：（2020年重庆理综）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，装置如右图。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：运用电解原理可以知道在阳极周围生成碘单质，从而可以证明原来溶液中含有碘离子；在阴极上有氢气产生，所以上层为KI或者NaI溶液，下层液体密度大于水的密度，与水不互溶，并且碘单质在下层溶液中的溶解度远远大于水中的，碘单质能被下层液体从水中萃取出来，所以为四氯化碳或者氯仿，用焰色反应来确定阳离子是哪一种，若为黄色火焰，就是碘化钠。（1）2 I2 （2）2H2（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（其它合理答案同样给分。例如，若中答NaI水溶液，这里答火焰呈黄色。例5 ：工业上用立式隔膜电解槽电解饱和食盐水制取氯气和烧碱时，要用石棉绒隔开阴、阳两极。现在将用如右图所示的装置电解饱和食盐水。烧杯中的搅拌子在搅拌器的作用下可以不断地旋转搅拌溶液，使其充分混合。当用石墨棒为阳极，铁棒为阴极进行电解时：（1）开动电磁搅拌器前的电解反应方程式是，若共收集标准状况下的气体 22.4 L，则另一种产品的物质的量为mol。（2）开动电磁搅拌器后，阴极电极反应是，阳极电极反应是。（3）搅拌后，溶液中发生反应的离子方程式是。（4）电解总反应方程式是。解析：惰性电极碳棒作为阳极，铁棒作为阴极。H+在阴极的到电子，生成氢气；Cl-在阳极失去电子，生成氯气。【答案】（1）2NaCl + 2H2O = H2+ Cl2 + 2NaOH；1。（2）阴极反应：2H+ 2e- = H2阳极反应：2Cl- - 2e- Cl2（3）2OH- + Cl2 Cl- + ClO- + H2O（4）NaCl + H2O = H2 + NaClO例6：下图每一方框中的字母代表一种反应物或生成物：物质A跟B反应生成物质E、F和G；物质C跟D反应生成物质I，某温度下该反应起始和某时刻的反应混合物组成如上表格所示。请填写下列空白：（1）物质H的分子式是。（2）反应的化学方程式是。（3）反应的化学方程式（须注明反应条件）是。解析：这是一典型的推断题，从电解饱和食盐水电解产物可知，A、B、C应该是Cl2、H2、NaOH溶液，结合A和B反应生成物有三种，B和C反应产物只有一种、是个化合反应，所以，B是Cl2、A是NaOH、C是H2 ，接下来就一目了然了！高温高压催化剂【答案】（l）HCl（2）Cl22NaOHNaClNaClOH2O（3）N2 + 3H2 2NH3空气资源、海水资源例题解析空气中的各种气体和海水资源中的丰富元素在工业生产中有着广泛的应用。如：合成氨技术，海水提镁，氯碱工业等等。但工业生产除了理论知识还涉及实际生产中的许多问题，比如原料来源，反应速率，原料价格，是否污染环境等。【例1】 联合国气候变化框架公约京都议定书要求发达国家限定二氧化碳等温室气体的排放量，以控制日趋严重的温室效应。请回答下列问题：绿色植物通过 吸收二氧化碳，然后将产生的氧气释放到大气中。科学家采取“组合转化”技术，将二氧化碳和氢气按一定比例混合，在一定条件下反应（反应方程式如下），生成一种重要的化工原料和水。请在括号中填写该化工原料的化学式。CO2 + H2 = 1（ ） + 4H2O为了减缓大气中二氧化碳含量的增加，以下建议可行的是（填序号） 开发太阳能、水能、风能、地热等新能源； 禁止使用煤、石油、天然气等化石原料； 大量植树造林，禁止乱砍乱伐。解析绿色植物在光照下利用太阳能，在叶绿体中吸收空气中二氧化碳，和水合成有机物葡萄糖，同时释放出氧气6CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6O2依据质量守恒定律，该化工原料的组成中有两个碳原子和四个氢原子，该物质的化学式为C2H4 。为减缓大气中二氧化碳含量的增加，开发无污染的新能源，如太阳能等，可减少化石燃料的使用，但化石燃料仍是主要能量来源，所以说禁止使用是不现实的；增大绿地面积，大量植树造林可增加二氧化碳的吸收量，减少大气中二氧化碳的含量。答案：光合作用 C2H4 【例2】下列有关合成氨工业的叙述，可用勒沙特列原理来解释的是（ ）A. 使用铁触媒，使N2和H2的混合气体有利于合成氨B. 高压比常压条件更有利于合成氨的反应C. 500左右比室温更有利于合成氨的反应D. 合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率【解析】 由于使用铁触媒能等同程度地加快正、逆反应速率，V正和V逆仍然保持相等所以它不影响化学平衡移动，因此，选项A不能用勒沙特列原理解释。合成氨的反应特点之一是正反应是气体体积缩小的反应，其他条件不变时，增大压强平衡向压强减小即向气体体积减小的方向移动，所以高压将有利于氨气合成，选项B符合。合成氨的另一个特点是正反应是放热反应，低温虽有利于平衡向正反应方向移动，但反应速率太慢，生产周期太长，所以在生产线上一般采用提高温度（500）加快反应速率的方法来提高氨气的生产率，另一方面选用500考虑到催化剂活性最大，因此C不能用勒沙特列原理解释。合成氨采用循环操作，并没有涉及化学平衡的移动。因此，选项D不能用勒沙特列原理解释。答案：B【例3】合成氨工厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮的转化率。某工厂测得合成塔中N2和H2的混合气体的密度为0.6116g/L（标准状况），从合成塔中出来的混合气体在相同条件下密度为0.8500g/L。求出该合成氨厂N2的转化率。【解析】设N2和H2起始时总的物质的量为1mol， N2为x mol， H2为（1x ）mol，由题意得出28 x + 2（1x ） = 0.6116 22.4解得 x = 0.45（N2） 故H2为0.55 mol又设0.45 mol N2有y发生了反应，则H2有3y发生反应N2 + 3 H2 2 NH3起始时物质的量mol 0.45 0.55 0平衡时物质的量mol 0.45y 0.553 y 2yn总= 0.45y + 0.553 y + 2y = 12y反应前后，气体总量为一定值，则有关系式：122.4 0.6116 = （12y）22.4 0.8500y = 0.14N2的转化率是 0.14/0.45100% = 31%【例4】海水资源丰富，其中“卤块”的主要成分为氯化镁（含Fe2+ 、Fe3+、Mn2+等杂质离子），若以它为原料，按下图可制得“轻质氧化镁”。如果要求产品尽量不含杂质离子，而且成本较低。流程所用试剂或PH控制可参考下列附表确定。卤块溶液滤液沉淀物气体溶液HCl加X加Y过滤加Z沉淀物 水中煮沸沉淀物灼热轻质氧化镁PH=9.8表1 生成氢氧化物沉淀的PH物质开始沉淀沉淀完全Fe（OH）32.73.7Fe（OH）27.69.6Mn（OH） 28.39.8Mg（OH） 29.611.1注：Fe2+的氢氧化物呈絮状，不易从溶液中除去，所以常将它氧化成为Fe3+，生成Fe（OH）3沉淀除去。表2 化学试剂价格表试剂价格/（元/吨）漂液（含NaClO 25.2%）450Na2O2（30%）2400NaOH（固98%）2100Na2CO3（固99.5%）600卤块含（MgCl230%）310请填写以下空白：在步骤加入的试剂X，最佳选择是 ；其作用是 。在步骤加入的试剂Y应是 ；之所以要控制PH=9.8，其目的是 。在步骤时发生的化学反应方程式是 。【解析】本题涉及到化工生产实际问题，步骤简单，解题时只要按流程图步骤顺序思考，关键是如何选取试剂合理，既要达到产品的质量要求，又要成本低廉。表1数据很明显，步骤强调PH=9.8，是为了将所有杂质金属离子都变为氢氧化物沉淀除去。因此， 试剂Y应是NaOH，尽管此时Mg2+也可能部分生成Mg（OH） 2沉淀影响产率，但能保证产品（MgO）的纯度，且卤块价格便宜。步骤，由表1可知，Fe（OH）2沉淀不易从溶液中除去，而Fe（OH）3却极易沉淀完全PH3.7， 因此加入的试剂X应是一种氧化剂，使Fe2+变成Fe3+，由表2看出，选用廉价的漂液最合适，其反应是2Fe2+ + ClO + 2H+ =2 Fe3+ + Cl + H2O，步骤Z为Na2CO3，反应式Mg2+ CO32 = MgCO3 ，而MgCO3的溶解度大于Mg（OH） 2，所以步骤发生的化学反应方程式是MgCO3 + H2O = Mg（OH） 2 + CO2二氧化碳的产生使氢氧化镁沉淀疏松，灼烧产物氧化镁具有轻质的特点。答案：漂液（NaClO） 把 Fe2+氧化成Fe3+NaOH 将使Mg2+以外的所有杂质金属离子都变为氢氧化物沉淀除去MgCO3 + H2O = Mg（OH） 2 + CO2【例5】氢氧化钠是一种用途十分广泛的重要化工原料。工业上主要通过电解氯化钠饱和溶液的方法获得氢氧化钠，我国的氯碱工业大多数采用离子交换膜电解槽。写出电解饱和氯化钠溶液时电极反应和总的离子反应方程式：阳极： ；阴极： ；总反应： 。离子交换膜电解槽一般采用金属钛作阳极，其原因是 。阴极一般用碳钢网制成。阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室，其作用是 。为使电解氯化钠的速度加快，下列措施可行的是（ ）A.增大阴极碳钢网的面积 B.提高饱和氯化钠溶液的温度C.加大阴极与阳极间的距离 D.提高电解时电源电压如果将某离子交换膜电解槽的电解时电压增大到原来的2倍； 电解时的电流强度增大到原来的2倍；电解时温度从30提高到60，则电解速率一定会达到原来2倍的是 其原因是： 。【解析】电解氯化钠的速率与单位时间通过的电量、离子迁移的速率有关。依据电解反应原理阳极反应：2C