1、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。 思 考 ：工 业 上 如 何 制 备 氯
2、气 ？提 示 ：电 解 饱 和 食 盐 水 。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
3、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：2Cl 2e =Cl2，发生氧化反应。阴极：2H 2e =H2，发生 还原反应。总反应的化学方程式：2NaCl2H 2O 2NaOHH 2Cl 2。= = = = =通 电 二、食盐水电解工艺1食盐水的精制粗盐中含有泥沙和 Ca2 、Mg 2 、SO 等杂质，电解饱和食盐水时要将粗盐提纯，24通常除去粗盐中杂质需加入的试
4、剂顺序及其操作有BaCl 2、NaOH、Na 2CO3，过滤，盐酸；BaCl 2、Na 2CO3、NaOH ，过滤，盐酸 ；NaOH、BaCl 2、Na 2CO3，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
5、 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 NaC
6、l 时2NaCl 2H2O 2NaOHH 2Cl 2，H 2Cl 2 2HCl，Cl22NaOH= = NaCl NaClO H2O，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
7、：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 、BaCl 2 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 ：Ca 2 CO =CaCO323加入 NaOH 溶液以除去 Mg2 、Fe 3 等：Mg2 2OH =Mg(OH)2Fe3 3OH =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24Ba2 ：Ba 2 SO =
8、BaSO4，CO Ba 2 =BaCO3。24 23这样处理后的盐水仍含有一些 Ca2 、Mg 2 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 、Mg 2 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：2Cl 2e =Cl2(氧化反应)阴极：2H 2e =H2(还原反应)总化学方程式：2NaCl2H 2O H2Cl 22NaOH2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
9、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：S 2 I Br C
10、l OH 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：Ag Hg 2 Fe 3 Cu 2 H Pb 2 Sn 2 Fe 2 Zn 2 Al 3 Mg 2 Na Ca 2 K 。(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 2Cl 2e =Cl2，在阴极上2H 2e =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
11、2NaCl2H 2O 2NaOHH 2Cl 2。= = = = =通 电 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 、Mg 2 、Fe 3 、SO 以及泥沙等杂质，某同学设24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 溶 解 BaCl2 NaOH Na2CO3 过 滤 适 量 盐 酸 蒸 发 、结 晶 、烘 干 (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 mol
12、L1 NaCl(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)Ca2 CO =CaCO3 ；Ba 2 CO =BaCO323 23(3)先加盐酸会有少量 CaCO3、Ba
13、CO 3 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、H 2 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
14、 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
15、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
16、 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：2Cl 2e =Cl2；阴极反应：2H 2e =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
17、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 Cu2 2e =Cu；Y 电极的材料是粗铜，电极反应式为 Cu2e =Cu2 。答案：(1)2H 2e =H2 放出气体，溶液变红 2Cl 2e =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 Cu 2 2e =Cu 粗铜 Cu 2e =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
18、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
19、。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 2I 2e =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
20、的只有 H ，生成 H2。所以阴极反应是 2H 2e =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)I 2 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，
21、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)2I 2e =I2 (2)2H 2e =H2(3)KI(或 NaI 等)水溶液 (4)CCl 4(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
22、 、Mg 2 、SO 等杂质，精制时所用试剂为： A盐酸；24BBaCl 2 溶液； CNaOH 溶液；DNa 2CO3 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_。与电源负极相连的电极附近溶液 pH_(填“变大” “不变”或“ 变小”) 。若 1 mol 电子的电量为96 500 C，则用电流强度为 100 A 的稳恒电流持续电解 3 分 13 秒，则在两极上共可收集到气体_mL(STP)。若保证电解后饱和食盐水的浓度不变，则可采取的方法是_。(3)由 MgCl26H2O 晶体脱水制无水 MgCl2 时，MgCl 26H2O 晶体在_气氛中加热脱水
23、，该气体的作用是_。(4)电解无水 MgCl2 所得的镁蒸气可以在下列_气体中冷却。AH 2 BN 2CCO 2 DO 2解析：(1)该小题属离子除杂题。除杂原则是在除去 Ca2 、Mg2 、SO 时，不能带入24杂质离子。所以，解此题的关 键是把握好加入离子的顺序：Ba 2 必须在 CO 之前加入；23CO 、OH 必须在 H 之前加入，所以 B、C 不分先后，而 D、A 本身既分前后，又必须放23在 B、C 之后才能 满足条件。(2)电解饱和食盐水时，与正极相连的阳极发生的反应是 2Cl 2e =Cl2，与 负极相连的阴极发生的反应是 2H 2e =H2。 H 不断消耗，使得溶液中 c(OH )增大，pH 变大。电解中外逸的是 Cl2、H2，所以要确保原溶液浓度不变，只能向体系中通入一定量的 HCl气体以补足损失的氢、氯。易错处是加入盐酸，使溶液浓度变小。(3)抑制水解平衡 MgCl2H 2O Mg(OH)ClHCl 正向移 动。(4)镁蒸气可以与氮气、氧气和二氧化碳反应，所以只能用氢气来冷却。答案：(1)BCDA 或 CBDA(2)2Cl 2e =Cl2 变大 4 480 向电解液中通入一定量的 HCl 气体(3)HCl 防止 Mg2 水解 (4)A
