高中化学 专题二 从自然资源到化学品 第二单元 氯碱生产学案 苏教版选修2

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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。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

2、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

3、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

4、。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

5、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

6、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

7、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

8、(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

9、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N

10、aOH。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、

11、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

12、 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

13、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

14、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

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