专题07电解饱和食盐水与氯碱工业（重难点讲义）

专题07电解饱和食盐水与氯碱工业1.掌握电解池中阴阳极反应规律，明确离子放电顺序与电子流向。2.解释氯碱工业的电解装置、产物分离及阳离子交换膜的作用。3.能设计实验验证产物，分析工业流程中的技术优化（如防爆措施）。‌‌‌一、电解饱和食盐水的原理与实验1.电解饱和食盐水的原理：阴极：2H2O+2e=H2↑+2OH阳极：2Cl—2e=Cl2↑总反应：2NaCl+2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2NaOH+Cl2↑+H2↑2.实验装置与现象（1）实验装置（2）实验现象‌①‌阳极‌（石墨）：产生气泡，湿润淀粉KI试纸变蓝→‌氯气‌生成（2Cl=Cl2+2e）。‌②‌阴极‌（铁棒）：溶液变红（酚酞指示），产生无色气体→‌氢气与NaOH‌生成（2H2O+2e=H2+2OH）。3.实验注意事项‌①产物隔离‌：氢气和氯气混合遇光易爆炸，需分隔两区。‌②‌电解液优化‌：阴极室加入少量NaOH增强导电性。4.实验改进‌使用‌U形管分隔阴阳极区‌，避免产物反应（如Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O）。‌二、氯碱工业的核心技术与流程‌1.工业电解槽设计组件‌作用阳离子交换膜允许Na+通过，阻止Cl和气体渗透，隔离阴极区（NaOH/H2）和阳极区（Cl2）。六口装置两进口（饱和盐水、稀NaOH）、四出口（稀盐水、Cl2、H2、浓NaOH）。精制饱和食盐水预先除去Ca2+、Mg2+等杂质，防止堵塞交换膜‌2.装置3.关键反应与产物‌（1）‌阳极反应‌：2Cl=Cl2↑+2e。（2）‌阴极反应‌：2H2O+2e=H2↑+2OH。（3）产物应用‌：‌①NaOH：化工原料（造纸、肥皂）。‌②Cl2：消毒剂、PVC合成。③H2：燃料电池、合成氨。4.离子交换膜（阳离子交换膜）的作用：①将电解池隔成阳极室和阴极室，只允许阳离子（Na+、H+）通过，而阻止阴离子（Cl、OH）和气体通过；②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作用生成NaClO而影响烧碱的质量。5.技术挑战与解决方案‌‌问题1‌：阴离子交换膜为何不适用？答：阴极区OH会穿透膜与阳极Cl2反应，损耗产物。‌‌问题2‌：阴极区为何注入稀NaOH而非纯水？答：增强导电性，加速电解速率；纯水电阻过大。二、候氏制碱法—氯碱工业原料饱和食盐水、NH3、CO2——合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气；其反应为：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO＋H2，CO＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO2＋H2。原理NH3＋CO2＋NaCl＋H2ONH4Cl＋NaHCO3↓或NH3＋CO2＋H2ONH4HCO3，NH4HCO3＋NaClNH4Cl＋NaHCO3↓2NaHCO3eq\o(,\s\up6(Δ))Na2CO3＋CO2↑＋H2O生产流程设计Ⅰ的循环，可使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上绿色化学思想循环使用的物质为：NaCl、CO2【特别提醒】①先把NH3通入饱和NaCl溶液中，形成氨化的NaCl饱和溶液，然后再通入CO2。这样先形成一个弱碱性的环境，可以增大CO2在溶液中的溶解度，生成更多的NaHCO3。②因为NaHCO3的溶解度小于NH4Cl的溶解度，所以NaHCO3先从溶液中结晶析出。加热使NaHCO3分解得到Na2CO3，生成的CO2可循环使用。③在制碱工业上，所用原料CO2和NH3是由合成氨厂提供的，所以工业生产上常将侯氏制碱和合成氨联合在一起，称为“联合制碱法”。“联合制碱法”还能得到NaHCO3和NH4Cl等副产品。‌‌题型01考查食盐水的电解原理【典例】（2425高一下·广西南宁·期中）氯气是制备系列含氯化合物的主要原料，可采用如图所示的装置来制取（两电极均为惰性电极），下列说法不正确的是A．c出口为高浓度的烧碱溶液B．电池工作时，左侧电极室的向右侧电极室移动D．每生成0.1，此时转移的电子的物质的量为0.2【答案】C【分析】电解精制盐水，阳极阴离子Cl失电子发生氧化反应生成Cl2，阴极H+得电子发生还原反应生成H2，Na+透过阳离子膜向阴极移动；【解析】A．阴极H+得电子发生还原反应生成H2，Na+透过阳离子膜向阴极移动，因此阴极产生氢氧化钠，则c出口为高浓度的烧碱溶液，A正确；B．电解池中阳离子向阴极移动，因此电池工作时，左侧电极室的Na+向右侧电极室移动，B正确；C．阳极阴离子Cl失电子发生氧化反应生成Cl2，阳极发生的电极反应为2Cl－2e=Cl2↑，C错误；D．氢离子得到电子转化为氢气，每生成0.1molH2，此时转移的电子的物质的量为0.2mol，D正确；故选C。【变式】（2324高一下·河北承德·月考）氯碱工业的装置如图所示，下列说法错误的是A．E、F电极上产生的气体分别为氯气和氢气B．装置中的离子交换膜为阴离子交换膜C．溶液M、N分别为NaCl稀溶液和NaOH浓溶液【答案】B【分析】从图中可以看出，右侧流入NaOH稀溶液，流出的溶液N为浓NaOH，则F电极为阴极，E电极为阳极。题型02考查电解食盐水的实验现象解释【典例】（2526高一·上海·月考）下列能验证电解饱和食盐水溶液(含酚酞)产物的装置是A． B．C． D．【答案】D【分析】电解饱和食盐水，阳极生成氯气、阴极生成氢气和氢氧化钠，用淀粉碘化钾溶液检验氯气，用向下排空气法收集氢气。【解析】A．A装置左侧为阳极，阳极生成氯气，不能用向下排空气法收集氯气，右侧是阴极，阴极生成氢气，NaOH溶液不能检验氢气，故A错误；B．B装置右侧为阳极，阳极生成氯气，NaOH溶液不能检验氯气，只能吸收氯气，故B错误；C．由电子流动的方向可知，装置C中左边为阳极，阳极生成氯气，不能用向下排空气法收集氯气，右侧是阴极，阴极生成氢气，淀粉碘化钾溶液不能检验氢气，故C错误；D．装置D中左边是阴极，产生H2；右边是阳极，产生Cl2，用淀粉碘化钾溶液检验氯气，D正确；选D。【变式】（2425高一上·福建·期中）关于氯气制取方法的说法中，不正确的是A．电解饱和食盐水制氯气时，石墨棒上方充满黄绿色气体B．工业上用电解饱和食盐水的方法制取氯气的同时得到烧碱产品C．实验室制氯气法和电解饱和食盐水制氯气法的化学方程式是不同的D．实验室制取氯气时，最好大火加热使温度迅速升高【答案】D【解析】A.电解饱和食盐水制氯气时，与电源正极相连的石墨棒是阳极，溶液中的氯离子放电产生氯气，则其上方充满黄绿色气体，A正确；B.工业上电解饱和食盐水的生成物是氢氧化钠、氢气和氯气，因此制取氯气的同时得到烧碱，B正确；C.实验室利用二氧化锰在加热的条件下氧化浓盐酸制备氯气，电解饱和食盐水的生成物是氢氧化钠、氢气和氯气，因此实验室制法和电解饱和食盐水的制法的化学方程式是不同的，C正确；D.浓盐酸易挥发，而稀盐酸与二氧化锰不反应，所以实验室制取氯气时不能大火加热使温度迅速升高，D错误。故选D。题型03考查氯碱工业流程分析A．应先向饱和NaCl溶液中通入CO2，后通入NH3B．上述流程中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的操作方法相同D．上述流程中涉及的化学反应均不属于氧化还原反应【答案】D下列说法不正确的是【答案】C【巩固训练】1.（2425高一上·上海宝山·期末）下列反应不属于氯碱工业的是C．2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2OD．MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O【答案】D2.（2425高一上·上海·期末）实验室以碳棒为电极电解饱和食盐水的装置如图所示。下列判断正确的是A．电解过程中水是氧化剂 B．X电极上发生氧化反应C．X电极上有产生 D．通电一段时间后，物质的量增大【答案】A【分析】以碳棒为电极电解饱和食盐水，生成氢氧化钠、氢气、氯气。【解析】A．电解过程中，水中氢元素化合价降低生成氢气，水是氧化剂，故A正确；B．X是阴极，氢离子得电子生成氢气，X电极上发生还原反应，故B错误；C．X是阴极，氢离子得电子生成氢气，X电极上有H2产生，故C错误；D．根据元素守恒，通电一段时间后，物质的量不变，故D错误；选A。3.（2425高一上·甘肃·期末）在氯碱工业中，离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如下，下列说法不正确的是D．电解后食盐水的pH增大【答案】B【分析】在电极A处氯离子失去电子，发生氧化反应生成氯气，电极A为阳极，B为阴极，b为饱和食盐水，a为淡盐水，钠离子通过离子交换膜移向阴极，故离子交换膜为阳离子交换膜，d为稀氢氧化钠溶液，c为浓氢氧化钠溶液。【答案】C5.（2425高一上·浙江杭州·期末）以下是侯式制碱法的简单流程，下列说法不正确的是B．操作X为过滤，为增大过滤速率，过滤时用玻璃棒搅拌【答案】B6.（2425高一上·山西朔州·月考）下图是侯氏制碱法在实验室进行模拟实验的生产流程示意图，则下列叙述错误的是主反应：NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl。A．A气体是NH3，B气体是CO2B．第Ⅲ步得到的晶体为Na2CO3C．工艺过程中第Ⅳ步生成的CO2可以循环利用D．第Ⅳ步操作为加热分解【答案】B【分析】由题给流程可知，向饱和食盐水中通入足量的氨气得到氨化的食盐饱和溶液，再通入过量的二氧化碳，二氧化碳与氨化的食盐饱和溶液反应得到悬浊液，过滤得到碳酸氢钠晶体，碳酸氢钠晶体加热分解制得纯碱。7.（2425高一上·贵州贵阳·月考）纯碱(碳酸钠)，是一种多功能的化合物，我国化工专家侯德榜在上个世纪将合成氨与纯碱工业联合，发明了联合制碱法(即侯氏制碱法)，使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，该生产方法在制得纯碱的同时，还可得到一种副产品NH4Cl。生产流程和溶解度曲线如图(已知：在通常条件下，1体积的水可以溶解1体积的二氧化碳，1体积的水可以溶解700体积的氨气)，下列说法正确的是A．沉淀池中，应先向饱和食盐水中通NH3，再通CO2C．实验室中，可用澄清石灰水鉴别NaHCO3和Na2CO3D．NH4Cl固体从母液中析出时，需控制的最佳温度为70℃~80℃【答案】A【分析】在沉淀池中，加入饱和食盐水，再通入NH3，最后通入CO2，此时生成NaHCO3沉淀。将沉淀煅烧，得到纯碱，二氧化碳循环使用；往母液中加食盐并通NH3，生成NH4Cl沉淀。8.（2425高一上·安徽芜湖·期中）索尔维制碱法和侯氏制碱法，两种工艺的差异之一在于对“滤液”的处理方法不同，流程如图：下列说法错误的是A．在实验室进行操作1用到的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒C．索尔维制碱法中能够循环利用的物质只有CO2D．对比索尔维制碱法，侯氏制碱法提高了NaCl利用率，并且生成的氯化铵可作肥料【答案】C【分析】因为氨气极易溶于水且水溶液显碱性能吸收更多二氧化碳，故向“饱和食盐水”中先通入NH3，再通入CO2，反应生成溶解度较小的碳酸氢钠晶体，碳酸氢钠受热分解为碳酸钠和二氧化碳B；滤液中含氯化铵，滤液加入氨气、氯化钠细粉析出氯化铵晶体，操作1为过滤得到氯化铵晶体和饱和食盐水；滤液加入氢氧化钙反应生成氯化钙和氨气A；【解析】A．操作1为过滤，在实验室进行操作1用到的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒，A正确；B．饱和氨盐水和二氧化碳反应生成氯化铵和溶解度较小的碳酸氢钠晶体，同时生成氯化铵，B正确；C．索尔维制碱法中得到气体A为氨气，则能够循环利用的物质为氨气、CO2，C错误；D．对比索尔维制碱法，侯氏制碱法中饱和食盐水可以循环利用且减少了副产物氯化钙的产生，提高了NaCl利用率，并且生成的氯化铵可作肥料，D正确；故选C。【答案】A10.（2425高一上·上海·期中）氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。如图是离子交换膜法电解饱和食盐水的示意图，图中的离子交换膜只允许正离子通过。（1）写出电解饱和食盐水的化学方程式。（2）电极M作___________。A．正极 B．负极 C．阳极 D．阴极（3）结合离子交换膜的作用，分析精制饱和食盐水从图中位置补充，氢氧化钠溶液从图中位置流出(选填“a”、“b”、“c”或“d)。【答案】（1）2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH（2）C（3）ad【分析】电解饱和食盐水，生成氯气、氢气和烧碱，M极生成Cl2，M极为阳极，N极生成H2，为阴极；中间为阳离子交换膜，Na+从左向右移动；【解析】（1）电解饱和食盐水，生成氯气、氢气和烧碱，故化学方程式为：2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH；（2）M极上生成Cl2，故M为阳极；答案选C；（3）电解饱和食盐水，阳极：2Cl2e=Cl2↑，食盐水从阳极a口进入，钠离子从左向右移动，阴极：2H2O+2e=H2↑+2OH，故NaOH溶液从阴极d口流出。【强化训练】1.（2425高三上·江苏·期中）侯德榜发明的侯氏制碱法造福了全人类。侯氏制碱法中的“碱”指的是【答案】BA．实验过程中向启普发生器中添加液体时，可以取下Ⅰ处胶塞加入C．开始实验时，应先打开活塞Ⅱ，再打开活塞Ⅲ【答案】D【分析】试剂a为盐酸，试剂b为碳酸钙，用于制取二氧化碳，试剂c为饱和碳酸氢钠溶液用于除去二氧化碳中的HCl；然后将二氧化碳通入氨化的饱和食盐水中，反应生成碳酸氢钠，过量的氨气用水或硫酸溶液吸收，且要防止倒吸，据此分析解答。3.（2425高一下·上海宝山·月考）传统的石棉隔膜法电解饱和食盐水因电耗高、污染严重，已逐步被综合能耗低、污染小的新型离子交换膜所取代，如用阳离子交换膜法电解食盐水制浓烧碱溶液的流程如图所示。下列有关说法正确的是A．A极为阳极，发生氧化反应生成的气体X为【答案】A【分析】电解饱和食盐水中阳极生成氯气，故X为氯气，阴极生成氢气，故Y为氢气。下列说法错误的是【答案】C【分析】浓氨水中加氯化钠粉末，制取饱和氨盐水，往其中通入二氧化碳气体，反应后过滤得碳酸氢钠晶体和母液，碳酸氢钠分解得碳酸钠，母液中加氯化钠粉末，得食盐水和氯化铵。5.（2425高一下·河北·期末）我国化工专家侯德榜发明了联合制碱法，使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上。该生产方法在制得纯碱的同时，还可得到副产品NH4Cl，其生产流程和溶解度曲线如图。下列说法错误的是A．向饱和食盐水中先通NH3，再通CO2，更有利于NaHCO3析出B．NH4Cl固体从母液中析出时需控制温度在010℃C．侯氏制碱使原料NaCl的利用率从70%提高到90%以上，主要是因为设计了循环ID．从沉淀池分离出的溶液中存在：n(Na+)>n(Cl)【答案】D【分析】合成氨提供氨气，与二氧化碳、饱和食盐水反应生成NH4Cl、NaHCO3，在沉淀池中过滤分离出碳酸氢钠，碳酸氢钠加热分解生成碳酸钠、水、二氧化碳，二氧化碳可循环使用。母液中含溶质氯化铵，通入氨气，加入细盐可分离得到氯化铵。6.（2425高一上·湖北十堰·月考）索尔维制碱法和侯氏制碱法，两种工艺的差异之一在于对“滤液”的处理方法不同，流程如图：下列说法错误的是A．侯氏制碱法比索尔维制碱法有更多的优点B．上述流程中涉及的NH3、CO2都是非电解质C．索尔维制碱法和侯氏制碱法中能够循环利用的物质一样D．索尔维制碱法和侯氏制碱法制取NaHCO3的反应原理一样【答案】C【分析】因为氨气极易溶于水且水溶液显碱性能吸收更多二氧化碳，故向“饱和食盐水”中先通入NH3，再通入CO2，反应生成溶解度较小的碳酸氢钠晶体，碳酸氢钠受热分解为碳酸钠和二氧化碳气体B；滤液中含氯化铵、饱和碳酸氢钠，滤液加入氨气、氯化钠细粉析出氯化铵晶体，操作1为过滤得到氯化铵晶体和饱和食盐水；滤液加入氢氧化钙加热反应生成氯化钙和氨气A；【解析】A．对比索尔维制碱法，侯氏制碱法的优点是能得到氮肥氯化铵且减少了副产物氯化钙的产生，提高了NaCl的利用率，A正确；B．NH3、CO2的水溶液可以导电，是它们和水反应生成的物质发生电离，它们本身为非电解质，B正确；C．索尔维制碱法中得到气体A为铵根离子和氢氧根离子生成的氨气，氨气能够循环利用；碳酸氢钠灼烧得到气体B为二氧化碳，也能循环利用，而侯氏制碱法中除了二氧化碳同样可以循环利用外，饱和食盐水进行了循环利用，C错误；D．由图知，两种方法制取碳酸氢钠都固体的反应原理相同，化学方程式都为NH3+CO2+NaCl+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl，D正确；故本题选C。7.（2024·陕西·一模）我国化学家侯德榜先生创立了著名的“侯氏制碱法”(流程简图如图)，促进了世界制碱技术的发展。下列有关说法正确的是A．NH3和CO2的通入顺序可以调换B．实验室中反应（2）应在坩埚中进行C．侯氏制碱法的主要原理是相同条件下Na2CO3易溶于水，NaHCO3难溶于水D．操作X为过滤，在实验室中为加快过滤速率用玻璃棒搅拌【答案】B【分析】向饱和食盐水中先通入NH3至饱和，再通入CO2至饱和，析出大量的白色晶体，进行X操作即过滤得到的晶体A为NaHCO3，同时得到的溶液B含有NH4Cl、NaCl等，晶体A在坩埚中加热灼烧得纯碱，溶液B进行蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，得到NH4Cl晶体，据此分析解题。【解析】A．NH3极易溶于水，而CO2难溶于水但易溶于氨化后的碱性溶液中，故NH3和CO2的通入顺序不可以调换，应先通入氨气，A错误；B．加热固体或对固体进行灼烧，需在坩埚中进行，故实验室中反应（2）应在坩埚中进行，B正确；C．Na2CO3和NaHCO3均易溶于水，侯氏制碱法的主要原理是相同条件下NH4Cl、NaCl、NaHCO3中NaHCO3的溶解度最小，先析出，C错误；D．由分析可知，操作X为过滤、洗涤、干燥，在实验室中玻璃棒的作用为引流，过滤时不能用玻璃棒搅拌，D错误；故答案为：B。8.（2425高一上·上海浦东新·期中）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错误的是A．可以选用石墨棒作为阴、阳极材料B．用湿润的淀粉KI试纸靠近阳极区域，试纸变蓝C．阴极产生气体具有可燃性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】D【解析】A．电解时，阳极不能选用活泼的金属材料，可以选用石墨棒作为阴、阳极材料，A正确；B．电解饱和食盐水时，阴极产物为NaOH和H2，阳极产物为Cl2，Cl2可以用湿润的淀粉KI试纸检验，B正确；C．阴极产生气体为