2019-2020年高中化学（大纲版）第三册 第四单元 电解原理及其应用 第二节氯碱工业(第二课时).doc

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2019-2020年高中化学（大纲版）第三册 第四单元 电解原理及其应用 第二节氯碱工业(第二课时) ［引言］上节课我们学习了电解饱和食盐水的反应原理，知道其可以得到三种重要的化工原料——氢气、氯气和烧碱。由于这几种产物混合时易发生化学反应，故需使电解反应在特殊的电解槽(即离子交换膜电解槽)中进行。但进入电解槽阳极室的饱和食盐水必须是精制的，为什么要精制？粗盐水又应该如何精制？下面我们就来探讨这个问题。 ［板书］第二节 氯碱工业(第二课时) 二、离子交换膜法制烧碱 2.食盐水的精制 ［讲解］由上一节所学知识我们知道，离子交换膜的特点是只允许指定离子通过。而粗盐水中常含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO等杂质，它们的存在会使制得的NaOH纯度降低，同时会使离子交换膜受到损坏，故在电解前，必须对饱和食盐水进行精制。 ［投影］已知粗盐水中常含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO等杂质，怎样用BaCl2、Na2CO3、NaOH、盐酸等试剂将其除去？ ［师］请大家分组讨论，设计除杂方案。 ［学生讨论，并设计除杂方案，教师选择有代表性的方案，用来展示和讲解］ ［教师评讲后总结］对于有关除杂问题的解答，首先应注意：在除去已有杂质的同时，不能带进新的杂质。因此，在解答此种类型的题目时，一定要“瞻前顾后”，即注意思维的严密性。其次，对于所提供的试剂，一定要弄清楚使用它的目的。例如，在本题中，BaCl2显然是用来清除SO的，而Na2CO3定然是用来沉淀Ca2＋的，NaOH可使Mg2＋、Fe3＋等以沉淀的形式析出来，盐酸是用来调节溶液的pH的。在此基础上，再对所加试剂进行合理排序，即可达到实验目的。 ［依据以上思路，教师和学生一块设计出以下除杂方案］ ［板书］ ［想一想］1.为什么精制盐水时，要使所加BaCl2、NaOH、Na2CO3过量？ ［议一议］2.若把所加NaOH和Na2CO3的顺序调换一下，对精制结果是否会有影响？ ［学生思考，讨论后回答］ 答案：1.加BaCl2过量，可使溶液中的SO沉淀完全，加NaOH、Na2CO3过量，是为了使溶液中的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋和过量的Ba2＋沉淀完全。 2.把所加NaOH和Na2CO3的顺序调换，不会影响精制结果。 ［师］请大家写出以上反应的离子方程式。 ［请一位同学上黑板书写］ ［学生板书］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］怎样知道所加BaCl2溶液是否过量？又怎样知道所加HCl是适量的？ ［学生思考后回答］取加入BaCl2后的溶液静置，然后取上层清液用稀H2SO4检验，若有沉淀生成，说明所加BaCl2过量，否则，不过量；用pH试纸可检验出所加HCl是否适量。 ［反问］那么，是不是经过上述程序处理后的食盐水就可进入电解槽了呢？ ［师］非也！ ［讲解］上述方法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。 由电解槽流出的阴极液中含有30%的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。 ［过渡］NaOH、Cl2和H2都是重要的化工原料，其可以进一步加工成多种化工产品而广泛用于各工业。下面，我们就来了解一下以氯碱工业为基础的化工生产。 ［板书］三、以氯碱工业为基础的化工生产 ［师］NaOH、H2、Cl2这三种物质对我们并不陌生，请大家分组讨论和归纳出它们各自的用途。 ［学生分组讨论，并进行回答交流］ ［投影总结］ 氯碱工业某些产品的用途 烧碱是基本化工原料之一，它主要用于制造有机化学品、造纸、肥皂、玻璃、纺织、印染等行业。 氯气的用途非常广泛，最早用于制造漂白粉，以后又扩展到一系列无机氯产品，其中主要有液氯、盐酸及漂粉精、次氯酸钠等漂白消毒系列产品。 氯气曾大量用于制造有机氯农药，如六六六、DDT、多氯联苯等，后来人们发现它们会造成严重的环境污染并在生物体内残留，因此已停止生产和使用。但氯仍是生产某些高效低毒的农药如速来威、含氯菊酯等的原料。 有机合成方面，氯有更广泛和更大量的用途。其中用量最大的是生产聚氯乙烯(PVC)树脂。聚氯乙烯是仅次于聚乙烯的世界第二大塑料品种，生产1 t聚氯乙烯树脂约需氯0.6 t。氯还用于生产含氯溶剂、环氧树脂、泡沫塑料、氯丁橡胶、氟氯烃等。 氢气也是很有用的原料。它除用于合成氯化氢以制取盐酸和聚氯乙烯外，另一重大用途是植物油加氢生产硬化油。此外还用于炼钨、还原金属氧化物、生产多晶硅以及有机物的加氢等。 ［讲解］由以上讨论可以看出，氯碱工业及其相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域，故氯碱工业及以氯碱工业为基础的化工生产在国民经济发展中起着很重要的作用。 以氯碱工业为基础的化工生产及产品的主要用途我们可简单归纳如下： ［投影］ 氯碱工业产品 ［引导学生参看课本彩图：氯碱工业产品］ ［过渡］那么，我国氯碱工业的发展情况又是怎样的呢？ 请大家阅读课本“我国氯碱工业的发展” ［学生阅读］ ［投影］ 我国烧碱产量的发展统计简图 ［师］由以上资料可以看出，我国氯碱工业的发展速度是很快的。 下面，是上海天原有限公司的概况，请大家参阅： ［投影］上海天原(集团)有限公司是中国最大的氯碱企业，拥有总资产50亿元，净资产30亿元，工艺技术和自动化控制达到90年代初国际水平。1996年，天原集团完成工业总产值23.96亿元，销售收入29亿元，实现利润总额2.85亿元，主要产品烧碱完成40.29万吨，PVC总量达到23.02万吨，为历年之最，出口创汇4551.7万美元，产销率100%。综合实力列全国化工行业第三强，氯碱行业第一强。 上海天原集团主营碱、氯、氟、塑四大系列22种产品，年产各种化工基础原料160万吨。其中离子膜法烧碱技术与规模列全国第一，烧碱产销量列全国第一，国内市场占有率达8%；烧碱出口量列全国第一，约占全国出口量的60%(中国烧碱产量已列世界第二位)；乙烯氧氯化法聚氯乙烯技术与规模列全国第一，聚氯乙烯产销量列全国第一，国内市场占有率达16%，是国内最大，品种最全、技术最优的氯碱厂产品基地，申峰牌聚氯乙烯是上海市名牌产品。 ［讲解］近年来，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术方面都得到很大发展。但同时人们也发现氯碱工业及其一些产品对环境有着较大的污染作用。例如，现已查明某些有机氯溶剂有致癌作用，氟氯烃会破坏臭氧层等。但随着人们环境保护意识的增强，人们对以氯碱工业为基础的化工生产过程中所造成的污染及其产品对环境造成的影响越来越重视。如现在已停止使用和生产某些有害的有机氯产品。像DDT、六六六等含氯农药就是被禁用产品，以前被冰箱所普遍使用的制冷剂氟利昂也正在逐渐地被其他制冷剂所取代。 ［投影练习］氯碱厂电解饱和食盐水制取烧碱的工艺流程示意图如下： 依据上图，完成下列填空： (1)在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生的反应为 ；与电源负极相连的电极附近，溶液pH (填“不变”“升高”或“下降”) (2)如果粗盐中SO含量较高，必须添加钡试剂除去SO，该钡试剂可以是： A.Ba(NO3)2 B.BaCl2 C.BaCO3 (3)为有效除去粗盐中的Ca2＋、Mg2＋、SO，加入试剂的合理顺序为： A.先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3 B.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂 C.先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3 (4)若采用无隔膜电解槽电解冷的食盐水，Cl2与NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H2，相应的化学方程式为 分析讲解：本题考查应用电解原理及除杂知识分析氯碱工业一些具体问题。 (1)电解NaCl溶液时，电极反应式分别为：阳：2Cl－－2e－===Cl2 阴：2H＋＋2e－=== H2↑，其中与电源负极相连的阴极因H＋放电破坏了水的电离平衡，使溶液中OH－浓度增加，故溶液的pH升高。 (2)除杂质的原则是除去杂质的同时，不能引入新的杂质。除NaCl中的SO，若加Ba(NO3)2，会引入新的杂质NO，若加BaCO3，对除去SO无济于事，加BaCl2符合题意。 (3)必须先加过量的钡试剂，除去SO，此时溶液中又多出了Ba2＋杂质，后加Na2CO3，可在除去Ca2＋的同时，除去过量的Ba2＋，过量的CO可最后加适量酸除去，若采取最后加钡试剂的方法，则溶液中过量的Ba2＋无法除去。 答案：(1)2Cl－－2e－===Cl2↑ 升高 (2)B (3)AC (4)NaCl＋H2ONaClO＋H2↑ ［小结］本节课我们重点讲了食盐水的精制和以氯碱工业为基础的化工生产，同时了解了我国氯碱工业发展的一些状况。 ［布置作业］ 习题：三、3、4 ●板书设计 第二节 氯碱工业(第二课时) 二、离子交换膜法制烧碱 2.食盐水的精制 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、以氯碱工业为基础的化工生产 ●教学说明 本课时所讲内容，在大纲上均属了解层次，但作者在进行设计时，把食盐水的精制作为了重点内容。这主要是食盐水精制的原理涉及知识点较多，像实验方案的设计、除杂、过滤、离子方程式的书写等内容都可在此处体现出来，因此，通过此部分内容的教学可以很好地巩固学生已学知识。同时还能训练学生思维的严密性和灵活性。 在教学方法上，主要采取了教师引导、学生讨论、阅读、练习等方法。学生讨论并得出结论可以增强学生学习的主动性，阅读可以扩展学生的视野，练习可使所学知识得以较好的巩固。 ●综合能力训练题 1.将等物质的量浓度的CuSO4溶液和NaCl溶液等体积混合后，用石墨电极进行电解。电解过程中，溶液pH随时间t变化的曲线是 解析：电解质溶液中n(Cu2＋)∶n(Na＋)∶n(SO)∶n(Cl－)=1∶1∶1∶1，则可以认为首先是电解CuCl2,当Cl－电解完后电解CuSO4和水，当Cu2＋电解完后，溶液中的溶质是Na2SO4和H2SO4，则是电解水。即电解分为三个阶段进行：①CuCl2Cu↓＋Cl2↑;②2CuSO4＋2H2O2Cu↓＋O2↑＋2H2SO4;③2H2O2H2↑＋O2↑。Cu2＋水解使溶液pH＜7，当电解CuCl2时，Cu2＋的量减少，水解减弱，pH增大；当电解CuSO4和水时，有H2SO4生成，则溶液pH变小；当电解H2O时，溶液的浓度增大，则H2SO4浓度也增大，故溶液pH又缓慢减小。应选D。 答案：D 2.由于Fe(OH)2极易被氧化，所以实验室很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe(OH)2沉淀。应用下图电解实验可制得白色纯净的Fe(OH)2，两电极的材料分别为石墨和铁。 电化学装置Fe(OH)2 (1)a电极的材料应为 ，电极反应式为： (2)电解液c可能是(填编号) A.纯水 B.NaCl溶液 C.NaOH溶液 D.CuCl2溶液 (3)d为苯，其作用为 ，在加入苯之前对c应作何简单处理 。 (4)为了在较短时间内看到白色沉淀，可采取的措施是(填编号) A.改用稀硫酸作电解液 B.适当增大电源的电压 C.适当减小两电极间距离 D.适当降低电解液的温度 (5)若c用Na2SO4溶液，当电解一段时间看到白色Fe(OH)2沉淀后，再反接电源电解，除了电极上看到气泡外，混合物中另一明显现象为： 。 解析：本题考查利用电解池原理解决实验中的一个问题，此实验的目的是制取纯净的Fe(OH)2白色沉淀。Fe(OH)2最典型的性质就是易被O2氧化，因此，在用电解法制Fe(OH)2的过程中，须采取隔绝空气的方法，电解液上面的苯层，即是为此目的而设置，加入苯之前，应先把c加热处理，以赶走溶解在其中的空气［源于课本上用煮沸的NaOH来制取Fe(OH)2］。制取Fe(OH)2，首先应产生Fe2＋和OH－，故两已知电极中，应选用Fe电极做阳极，以通过阳极反应Fe－2e－===Fe2＋来生成Fe2＋，电解质溶液选取时，应考虑溶液中含有OH－或通过阴极反应能生成OH－的电解液，本题可从所提供试剂中选择NaCl或NaOH溶液。为在较短时间内看到白色沉淀，可采用增大电源的电压以使Fe2＋、OH－浓度迅速增加或减小两极间距离使Fe2＋、O(－缩短接触的时间(因Fe2＋在阳极生成，OH－在阴极生成)。若c用Na2SO4溶液作电解液，当生成Fe(OH)2沉淀后反接电源，此时Fe为阴极，石墨为阳极。电解时，阳极发生反应：4OH－－4e－===O2↑＋2(2O。因有O2产生，故溶液中的Fe(OH)2迅速发生反应；4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。故Fe(OH)2白色 沉淀先变成灰绿色，后变成红褐色。 答案：(1)Fe Fe－2e－===Fe2＋ (2)BC (3)隔绝空气，防止氧化 加热，赶出其中的空气 (4)BC (5)白色Fe(OH)2迅速变成灰绿色，颜色逐渐加深，变红褐色 3.请仔细阅读下图和文字说明，回答后面提出的问题： 如图所示的区域包括三个市区，一个氯碱制造厂，一个废水处理厂和一个火力发电厂，两个厂都向河里排放污水。 (1)火力发电厂使用的燃料煤中含有少量的硫，燃烧的气体未经处理即排放到空气中，又有部分发电用水未经冷却排入附近的河中，经观察其下游几十公里范围内的河水中鱼类几乎绝迹，其原因是 。 (2)由于SO2是形成酸雨的罪魁祸首。近闻美国和日本正在研究用Na2SO3吸收法作为治理SO2污染的一种新方法。第一步是用Na2SO3吸收SO2;第二步是加热吸收液，使之重新生成Na2SO3，同时得到含高浓度SO2的水蒸气副产品。请参照酸碱盐的转化关系，依次写出上述两步反应的化学方程式： ； 。 (3)有时候，水中产生难闻的臭鸡蛋气味的H2S气体，最简单的化学检验方法是(用化学方程式表示) 。 (4)火力发电厂的电能输送到氯碱制造厂进行NaOH、Cl2和H2 的制备。如果氯碱厂采用电解饱和食盐水的方法，则反应方程式为 ，NaOH将在电解装置的_________极产生，可用下列最简单的化学方法证明电解时生成NaOH 。 (5)科研人员为减少火力发电厂对环境的污染，曾经考虑让火力发电厂和氯碱制造厂进行横向联合。请你判断该方案是否可行？_________；如果可行，请简述该方案的优点是_________，如果涉及化学反应，其化学反应是 。 答案：(1)煤燃烧后，硫转化为SO2气体，形成酸雨使河水酸度增大，排出的热量又使河水的温度升高，O2的溶解度降低，水中溶解氧减少，鱼类在这种环境中无法生存而绝迹 (2)Na2SO3＋SO2＋H2O===2NaHSO3;2NaHSO3===Na2SO3＋SO2↑＋H2O (3)可用醋酸铅或硝酸铅试纸检验，方程式略。 (4)2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH；阴；将阴极附近的产物倒出，滴入几滴酚酞试液，溶液变红。 (5)可行；将发电厂产生的废气(SO2)与氯碱厂生产的Cl2或NaOH反应，既减少了SO2的排放，又可产生多种化学原料；2NaOH＋SO2===Na2SO3＋H2O,SO2＋Cl2＋2H2O===H2SO4＋2HCl