2019-2020年高中化學(xué)（大綱版）第三冊(cè) 第四單元 電解原理及其應(yīng)用 第二節(jié)氯堿工業(yè)(第二課時(shí)).doc

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2019-2020年高中化學(xué)（大綱版）第三冊(cè) 第四單元 電解原理及其應(yīng)用 第二節(jié)氯堿工業(yè)(第二課時(shí)) ［引言］上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了電解飽和食鹽水的反應(yīng)原理，知道其可以得到三種重要的化工原料——?dú)錃?、氯氣和燒堿。由于這幾種產(chǎn)物混合時(shí)易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故需使電解反應(yīng)在特殊的電解槽(即離子交換膜電解槽)中進(jìn)行。但進(jìn)入電解槽陽(yáng)極室的飽和食鹽水必須是精制的，為什么要精制？粗鹽水又應(yīng)該如何精制？下面我們就來探討這個(gè)問題。 ［板書］第二節(jié) 氯堿工業(yè)(第二課時(shí)) 二、離子交換膜法制燒堿 2.食鹽水的精制 ［講解］由上一節(jié)所學(xué)知識(shí)我們知道，離子交換膜的特點(diǎn)是只允許指定離子通過。而粗鹽水中常含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO等雜質(zhì)，它們的存在會(huì)使制得的NaOH純度降低，同時(shí)會(huì)使離子交換膜受到損壞，故在電解前，必須對(duì)飽和食鹽水進(jìn)行精制。 ［投影］已知粗鹽水中常含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO等雜質(zhì)，怎樣用BaCl2、Na2CO3、NaOH、鹽酸等試劑將其除去？ ［師］請(qǐng)大家分組討論，設(shè)計(jì)除雜方案。 ［學(xué)生討論，并設(shè)計(jì)除雜方案，教師選擇有代表性的方案，用來展示和講解］ ［教師評(píng)講后總結(jié)］對(duì)于有關(guān)除雜問題的解答，首先應(yīng)注意：在除去已有雜質(zhì)的同時(shí)，不能帶進(jìn)新的雜質(zhì)。因此，在解答此種類型的題目時(shí)，一定要“瞻前顧后”，即注意思維的嚴(yán)密性。其次，對(duì)于所提供的試劑，一定要弄清楚使用它的目的。例如，在本題中，BaCl2顯然是用來清除SO的，而Na2CO3定然是用來沉淀Ca2＋的，NaOH可使Mg2＋、Fe3＋等以沉淀的形式析出來，鹽酸是用來調(diào)節(jié)溶液的pH的。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)所加試劑進(jìn)行合理排序，即可達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? ［依據(jù)以上思路，教師和學(xué)生一塊設(shè)計(jì)出以下除雜方案］ ［板書］ ［想一想］1.為什么精制鹽水時(shí)，要使所加BaCl2、NaOH、Na2CO3過量？ ［議一議］2.若把所加NaOH和Na2CO3的順序調(diào)換一下，對(duì)精制結(jié)果是否會(huì)有影響？ ［學(xué)生思考，討論后回答］ 答案：1.加BaCl2過量，可使溶液中的SO沉淀完全，加NaOH、Na2CO3過量，是為了使溶液中的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋和過量的Ba2＋沉淀完全。 2.把所加NaOH和Na2CO3的順序調(diào)換，不會(huì)影響精制結(jié)果。 ［師］請(qǐng)大家寫出以上反應(yīng)的離子方程式。 ［請(qǐng)一位同學(xué)上黑板書寫］ ［學(xué)生板書］Ba2＋＋SO===BaSO4↓ Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓ Ba2＋＋CO===BaCO3↓ Ca2＋＋CO===CaCO3↓ CO＋2H＋===CO2↑＋H2O OH－＋H＋===H2O ［思考］怎樣知道所加BaCl2溶液是否過量？又怎樣知道所加HCl是適量的？ ［學(xué)生思考后回答］取加入BaCl2后的溶液靜置，然后取上層清液用稀H2SO4檢驗(yàn)，若有沉淀生成，說明所加BaCl2過量，否則，不過量；用pH試紙可檢驗(yàn)出所加HCl是否適量。 ［反問］那么，是不是經(jīng)過上述程序處理后的食鹽水就可進(jìn)入電解槽了呢？ ［師］非也！ ［講解］上述方法處理后的鹽水仍含有一些Ca2＋、Mg2＋等金屬離子，由于這些陽(yáng)離子在堿性環(huán)境中會(huì)生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽(yáng)離子交換塔，進(jìn)一步通過陽(yáng)離子交換樹脂除去Ca2＋、Mg2＋等。這時(shí)的精制鹽水就可以送往電解槽中進(jìn)行電解了。 由電解槽流出的陰極液中含有30%的NaOH，稱為液堿，液堿經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶可以得到固堿。陰極區(qū)的另一產(chǎn)物濕氫氣經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)物濕氯氣經(jīng)冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。 ［過渡］NaOH、Cl2和H2都是重要的化工原料，其可以進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品而廣泛用于各工業(yè)。下面，我們就來了解一下以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)。 ［板書］三、以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn) ［師］NaOH、H2、Cl2這三種物質(zhì)對(duì)我們并不陌生，請(qǐng)大家分組討論和歸納出它們各自的用途。 ［學(xué)生分組討論，并進(jìn)行回答交流］ ［投影總結(jié)］ 氯堿工業(yè)某些產(chǎn)品的用途 燒堿是基本化工原料之一，它主要用于制造有機(jī)化學(xué)品、造紙、肥皂、玻璃、紡織、印染等行業(yè)。 氯氣的用途非常廣泛，最早用于制造漂白粉，以后又?jǐn)U展到一系列無機(jī)氯產(chǎn)品，其中主要有液氯、鹽酸及漂粉精、次氯酸鈉等漂白消毒系列產(chǎn)品。 氯氣曾大量用于制造有機(jī)氯農(nóng)藥，如六六六、DDT、多氯聯(lián)苯等，后來人們發(fā)現(xiàn)它們會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染并在生物體內(nèi)殘留，因此已停止生產(chǎn)和使用。但氯仍是生產(chǎn)某些高效低毒的農(nóng)藥如速來威、含氯菊酯等的原料。 有機(jī)合成方面，氯有更廣泛和更大量的用途。其中用量最大的是生產(chǎn)聚氯乙烯(PVC)樹脂。聚氯乙烯是僅次于聚乙烯的世界第二大塑料品種，生產(chǎn)1 t聚氯乙烯樹脂約需氯0.6 t。氯還用于生產(chǎn)含氯溶劑、環(huán)氧樹脂、泡沫塑料、氯丁橡膠、氟氯烴等。 氫氣也是很有用的原料。它除用于合成氯化氫以制取鹽酸和聚氯乙烯外，另一重大用途是植物油加氫生產(chǎn)硬化油。此外還用于煉鎢、還原金屬氧化物、生產(chǎn)多晶硅以及有機(jī)物的加氫等。 ［講解］由以上討論可以看出，氯堿工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)領(lǐng)域，故氯堿工業(yè)及以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著很重要的作用。 以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)及產(chǎn)品的主要用途我們可簡(jiǎn)單歸納如下： ［投影］ 氯堿工業(yè)產(chǎn)品 ［引導(dǎo)學(xué)生參看課本彩圖：氯堿工業(yè)產(chǎn)品］ ［過渡］那么，我國(guó)氯堿工業(yè)的發(fā)展情況又是怎樣的呢？ 請(qǐng)大家閱讀課本“我國(guó)氯堿工業(yè)的發(fā)展” ［學(xué)生閱讀］ ［投影］ 我國(guó)燒堿產(chǎn)量的發(fā)展統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)圖 ［師］由以上資料可以看出，我國(guó)氯堿工業(yè)的發(fā)展速度是很快的。 下面，是上海天原有限公司的概況，請(qǐng)大家參閱： ［投影］上海天原(集團(tuán))有限公司是中國(guó)最大的氯堿企業(yè)，擁有總資產(chǎn)50億元，凈資產(chǎn)30億元，工藝技術(shù)和自動(dòng)化控制達(dá)到90年代初國(guó)際水平。1996年，天原集團(tuán)完成工業(yè)總產(chǎn)值23.96億元，銷售收入29億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額2.85億元，主要產(chǎn)品燒堿完成40.29萬(wàn)噸，PVC總量達(dá)到23.02萬(wàn)噸，為歷年之最，出口創(chuàng)匯4551.7萬(wàn)美元，產(chǎn)銷率100%。綜合實(shí)力列全國(guó)化工行業(yè)第三強(qiáng)，氯堿行業(yè)第一強(qiáng)。 上海天原集團(tuán)主營(yíng)堿、氯、氟、塑四大系列22種產(chǎn)品，年產(chǎn)各種化工基礎(chǔ)原料160萬(wàn)噸。其中離子膜法燒堿技術(shù)與規(guī)模列全國(guó)第一，燒堿產(chǎn)銷量列全國(guó)第一，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)8%；燒堿出口量列全國(guó)第一，約占全國(guó)出口量的60%(中國(guó)燒堿產(chǎn)量已列世界第二位)；乙烯氧氯化法聚氯乙烯技術(shù)與規(guī)模列全國(guó)第一，聚氯乙烯產(chǎn)銷量列全國(guó)第一，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)16%，是國(guó)內(nèi)最大，品種最全、技術(shù)最優(yōu)的氯堿廠產(chǎn)品基地，申峰牌聚氯乙烯是上海市名牌產(chǎn)品。 ［講解］近年來，我國(guó)的氯堿工業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、生產(chǎn)技術(shù)方面都得到很大發(fā)展。但同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn)氯堿工業(yè)及其一些產(chǎn)品對(duì)環(huán)境有著較大的污染作用。例如，現(xiàn)已查明某些有機(jī)氯溶劑有致癌作用，氟氯烴會(huì)破壞臭氧層等。但隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)過程中所造成的污染及其產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的影響越來越重視。如現(xiàn)在已停止使用和生產(chǎn)某些有害的有機(jī)氯產(chǎn)品。像DDT、六六六等含氯農(nóng)藥就是被禁用產(chǎn)品，以前被冰箱所普遍使用的制冷劑氟利昂也正在逐漸地被其他制冷劑所取代。 ［投影練習(xí)］氯堿廠電解飽和食鹽水制取燒堿的工藝流程示意圖如下： 依據(jù)上圖，完成下列填空： (1)在電解過程中，與電源正極相連的電極上所發(fā)生的反應(yīng)為 ；與電源負(fù)極相連的電極附近，溶液pH (填“不變”“升高”或“下降”) (2)如果粗鹽中SO含量較高，必須添加鋇試劑除去SO，該鋇試劑可以是： A.Ba(NO3)2 B.BaCl2 C.BaCO3 (3)為有效除去粗鹽中的Ca2＋、Mg2＋、SO，加入試劑的合理順序?yàn)椋? A.先加NaOH，后加鋇試劑，再加Na2CO3 B.先加NaOH,后加Na2CO3,再加鋇試劑 C.先加鋇試劑，后加NaOH，再加Na2CO3 (4)若采用無隔膜電解槽電解冷的食鹽水，Cl2與NaOH充分接觸，產(chǎn)物僅是NaClO和H2，相應(yīng)的化學(xué)方程式為 分析講解：本題考查應(yīng)用電解原理及除雜知識(shí)分析氯堿工業(yè)一些具體問題。 (1)電解NaCl溶液時(shí)，電極反應(yīng)式分別為：陽(yáng)：2Cl－－2e－===Cl2 陰：2H＋＋2e－=== H2↑，其中與電源負(fù)極相連的陰極因H＋放電破壞了水的電離平衡，使溶液中OH－濃度增加，故溶液的pH升高。 (2)除雜質(zhì)的原則是除去雜質(zhì)的同時(shí)，不能引入新的雜質(zhì)。除NaCl中的SO，若加Ba(NO3)2，會(huì)引入新的雜質(zhì)NO，若加BaCO3，對(duì)除去SO無濟(jì)于事，加BaCl2符合題意。 (3)必須先加過量的鋇試劑，除去SO，此時(shí)溶液中又多出了Ba2＋雜質(zhì)，后加Na2CO3，可在除去Ca2＋的同時(shí)，除去過量的Ba2＋，過量的CO可最后加適量酸除去，若采取最后加鋇試劑的方法，則溶液中過量的Ba2＋無法除去。 答案：(1)2Cl－－2e－===Cl2↑ 升高 (2)B (3)AC (4)NaCl＋H2ONaClO＋H2↑ ［小結(jié)］本節(jié)課我們重點(diǎn)講了食鹽水的精制和以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)，同時(shí)了解了我國(guó)氯堿工業(yè)發(fā)展的一些狀況。 ［布置作業(yè)］ 習(xí)題：三、3、4 ●板書設(shè)計(jì) 第二節(jié) 氯堿工業(yè)(第二課時(shí)) 二、離子交換膜法制燒堿 2.食鹽水的精制 Ba2＋＋SO===BaSO4↓ Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓ Ba2＋＋CO===BaCO3↓ Ca2＋＋CO===CaCO3↓ CO＋2H＋===CO2↑＋H2O OH－＋H＋===H2O 三、以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn) ●教學(xué)說明 本課時(shí)所講內(nèi)容，在大綱上均屬了解層次，但作者在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，把食鹽水的精制作為了重點(diǎn)內(nèi)容。這主要是食鹽水精制的原理涉及知識(shí)點(diǎn)較多，像實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、除雜、過濾、離子方程式的書寫等內(nèi)容都可在此處體現(xiàn)出來，因此，通過此部分內(nèi)容的教學(xué)可以很好地鞏固學(xué)生已學(xué)知識(shí)。同時(shí)還能訓(xùn)練學(xué)生思維的嚴(yán)密性和靈活性。 在教學(xué)方法上，主要采取了教師引導(dǎo)、學(xué)生討論、閱讀、練習(xí)等方法。學(xué)生討論并得出結(jié)論可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，閱讀可以擴(kuò)展學(xué)生的視野，練習(xí)可使所學(xué)知識(shí)得以較好的鞏固。 ●綜合能力訓(xùn)練題 1.將等物質(zhì)的量濃度的CuSO4溶液和NaCl溶液等體積混合后，用石墨電極進(jìn)行電解。電解過程中，溶液pH隨時(shí)間t變化的曲線是 解析：電解質(zhì)溶液中n(Cu2＋)∶n(Na＋)∶n(SO)∶n(Cl－)=1∶1∶1∶1，則可以認(rèn)為首先是電解CuCl2,當(dāng)Cl－電解完后電解CuSO4和水，當(dāng)Cu2＋電解完后，溶液中的溶質(zhì)是Na2SO4和H2SO4，則是電解水。即電解分為三個(gè)階段進(jìn)行：①CuCl2Cu↓＋Cl2↑;②2CuSO4＋2H2O2Cu↓＋O2↑＋2H2SO4;③2H2O2H2↑＋O2↑。Cu2＋水解使溶液pH＜7，當(dāng)電解CuCl2時(shí)，Cu2＋的量減少，水解減弱，pH增大；當(dāng)電解CuSO4和水時(shí)，有H2SO4生成，則溶液pH變??；當(dāng)電解H2O時(shí)，溶液的濃度增大，則H2SO4濃度也增大，故溶液pH又緩慢減小。應(yīng)選D。 答案：D 2.由于Fe(OH)2極易被氧化，所以實(shí)驗(yàn)室很難用亞鐵鹽溶液與燒堿反應(yīng)制得白色純凈的Fe(OH)2沉淀。應(yīng)用下圖電解實(shí)驗(yàn)可制得白色純凈的Fe(OH)2，兩電極的材料分別為石墨和鐵。 電化學(xué)裝置Fe(OH)2 (1)a電極的材料應(yīng)為 ，電極反應(yīng)式為： (2)電解液c可能是(填編號(hào)) A.純水 B.NaCl溶液 C.NaOH溶液 D.CuCl2溶液 (3)d為苯，其作用為 ，在加入苯之前對(duì)c應(yīng)作何簡(jiǎn)單處理 。 (4)為了在較短時(shí)間內(nèi)看到白色沉淀，可采取的措施是(填編號(hào)) A.改用稀硫酸作電解液 B.適當(dāng)增大電源的電壓 C.適當(dāng)減小兩電極間距離 D.適當(dāng)降低電解液的溫度 (5)若c用Na2SO4溶液，當(dāng)電解一段時(shí)間看到白色Fe(OH)2沉淀后，再反接電源電解，除了電極上看到氣泡外，混合物中另一明顯現(xiàn)象為： 。 解析：本題考查利用電解池原理解決實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)問題，此實(shí)驗(yàn)的目的是制取純凈的Fe(OH)2白色沉淀。Fe(OH)2最典型的性質(zhì)就是易被O2氧化，因此，在用電解法制Fe(OH)2的過程中，須采取隔絕空氣的方法，電解液上面的苯層，即是為此目的而設(shè)置，加入苯之前，應(yīng)先把c加熱處理，以趕走溶解在其中的空氣［源于課本上用煮沸的NaOH來制取Fe(OH)2］。制取Fe(OH)2，首先應(yīng)產(chǎn)生Fe2＋和OH－，故兩已知電極中，應(yīng)選用Fe電極做陽(yáng)極，以通過陽(yáng)極反應(yīng)Fe－2e－===Fe2＋來生成Fe2＋，電解質(zhì)溶液選取時(shí)，應(yīng)考慮溶液中含有OH－或通過陰極反應(yīng)能生成OH－的電解液，本題可從所提供試劑中選擇NaCl或NaOH溶液。為在較短時(shí)間內(nèi)看到白色沉淀，可采用增大電源的電壓以使Fe2＋、OH－濃度迅速增加或減小兩極間距離使Fe2＋、O(－縮短接觸的時(shí)間(因Fe2＋在陽(yáng)極生成，OH－在陰極生成)。若c用Na2SO4溶液作電解液，當(dāng)生成Fe(OH)2沉淀后反接電源，此時(shí)Fe為陰極，石墨為陽(yáng)極。電解時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)：4OH－－4e－===O2↑＋2(2O。因有O2產(chǎn)生，故溶液中的Fe(OH)2迅速發(fā)生反應(yīng)；4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。故Fe(OH)2白色 沉淀先變成灰綠色，后變成紅褐色。 答案：(1)Fe Fe－2e－===Fe2＋ (2)BC (3)隔絕空氣，防止氧化 加熱，趕出其中的空氣 (4)BC (5)白色Fe(OH)2迅速變成灰綠色，顏色逐漸加深，變紅褐色 3.請(qǐng)仔細(xì)閱讀下圖和文字說明，回答后面提出的問題： 如圖所示的區(qū)域包括三個(gè)市區(qū)，一個(gè)氯堿制造廠，一個(gè)廢水處理廠和一個(gè)火力發(fā)電廠，兩個(gè)廠都向河里排放污水。 (1)火力發(fā)電廠使用的燃料煤中含有少量的硫，燃燒的氣體未經(jīng)處理即排放到空氣中，又有部分發(fā)電用水未經(jīng)冷卻排入附近的河中，經(jīng)觀察其下游幾十公里范圍內(nèi)的河水中魚類幾乎絕跡，其原因是 。 (2)由于SO2是形成酸雨的罪魁禍?zhǔn)?。近聞美?guó)和日本正在研究用Na2SO3吸收法作為治理SO2污染的一種新方法。第一步是用Na2SO3吸收SO2;第二步是加熱吸收液，使之重新生成Na2SO3，同時(shí)得到含高濃度SO2的水蒸氣副產(chǎn)品。請(qǐng)參照酸堿鹽的轉(zhuǎn)化關(guān)系，依次寫出上述兩步反應(yīng)的化學(xué)方程式： ； 。 (3)有時(shí)候，水中產(chǎn)生難聞的臭雞蛋氣味的H2S氣體，最簡(jiǎn)單的化學(xué)檢驗(yàn)方法是(用化學(xué)方程式表示) 。 (4)火力發(fā)電廠的電能輸送到氯堿制造廠進(jìn)行NaOH、Cl2和H2 的制備。如果氯堿廠采用電解飽和食鹽水的方法，則反應(yīng)方程式為 ，NaOH將在電解裝置的_________極產(chǎn)生，可用下列最簡(jiǎn)單的化學(xué)方法證明電解時(shí)生成NaOH 。 (5)科研人員為減少火力發(fā)電廠對(duì)環(huán)境的污染，曾經(jīng)考慮讓火力發(fā)電廠和氯堿制造廠進(jìn)行橫向聯(lián)合。請(qǐng)你判斷該方案是否可行？_________；如果可行，請(qǐng)簡(jiǎn)述該方案的優(yōu)點(diǎn)是_________，如果涉及化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)是 。 答案：(1)煤燃燒后，硫轉(zhuǎn)化為SO2氣體，形成酸雨使河水酸度增大，排出的熱量又使河水的溫度升高，O2的溶解度降低，水中溶解氧減少，魚類在這種環(huán)境中無法生存而絕跡 (2)Na2SO3＋SO2＋H2O===2NaHSO3;2NaHSO3===Na2SO3＋SO2↑＋H2O (3)可用醋酸鉛或硝酸鉛試紙檢驗(yàn)，方程式略。 (4)2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH；陰；將陰極附近的產(chǎn)物倒出，滴入幾滴酚酞試液，溶液變紅。 (5)可行；將發(fā)電廠產(chǎn)生的廢氣(SO2)與氯堿廠生產(chǎn)的Cl2或NaOH反應(yīng)，既減少了SO2的排放，又可產(chǎn)生多種化學(xué)原料；2NaOH＋SO2===Na2SO3＋H2O,SO2＋Cl2＋2H2O===H2SO4＋2HCl