高中化学选修2之知识讲解水资源的利用基础Word文档下载推荐.docx
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常用的有漂白粉、漂白粉精[有效成分是Ca（ClO）2]、液态氯、氯胺（NH2Cl和NHCl2）等几种。
（2）氯化消毒的原理
各种氯化消毒剂在水中都能水解生成次氯酸（HClO）。
次氯酸是一种强氧化剂，有渗透细菌膜的能力，能使细菌体内的多种酶系统被氧化而破坏，使细菌的糖代谢发生障碍而死亡。
常用的氯化消毒剂在水中产生次氯酸的反应如下：
Cl2+H2O==HCl+HClO
2NaClO+CO2+H2O==Na2CO3+2HCIO；
Ca（ClO）2+CO2+H2O==CaCO3↓+2HClO
（3）其他消毒法
①紫外线消毒法：
紫外线具有杀菌能力。
紫外线消毒饮用水时，水层的深度不宜超过30cm，每次的持续照射时间不应少于1mm，所以大量供水的自来水厂难以采用。
②臭氧消毒法：
臭氧（O3）具有很强的氧化和杀菌能力，还可除去水中的色、臭、味。
本法的主要缺点是耗电量大、费用高、无持续杀菌作用。
自来水厂很少采用。
（4）除去味道和气味
除去水中不良味道和气味的方法之一，是让水通过由细小活性炭颗粒组成的滤床。
这些炭粒的巨大表面积足以吸附大量的各种杂质。
杂质被炭粒吸附于表面。
如果杂质是氯，可发生下列反应：
2Cl2+C+2H2O==CO2+4H++4Cl－。
通过该反应，含氯的软水中的氯味可能全部消除。
要点诠释：
水的净化流程：
活性炭
要点二、硬水软化【：
化学与资源开发利用#硬水软化】
1．硬水和软水
通常把溶有较多的钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+）的水，叫做硬水。
只溶有少量或不含钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+）的水，叫做软水。
硬水中的钙盐、镁盐能与肥皂（硬脂酸钠）作用，生成不溶性的硬脂酸盐，降低肥皂的去污能力。
因此硬水中加入肥皂水，泡沫较少，而且出现絮状沉淀。
而软水中加入肥皂水则产生较多泡沫，且没有沉淀生成。
2．暂时硬度和永久硬度
若水的硬度是由碳酸氢钙或碳酸氢镁所引起的，这种硬度叫做暂时硬度。
若水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等引起的，这种硬度叫做永久硬度。
（1）水的硬度以水中溶有Ca2+、Mg2+的多少来衡量。
水的硬度是天然水固有的内在特征，不存在没有硬度的天然水。
（2）一般所说的水的硬度是指暂时硬度和永久硬度的总和。
（3）天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度。
（4）为保证人们身体健康，我国饮用水的硬度统一规定为不超过25°
。
3．硬水软化
（1）煮沸法（只适用于暂时硬度的硬水）
具有暂时硬度的水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢钙就分解而生成不溶性的碳酸钙：
Ca（HCO3）2
CaCO3↓+H2O+CO2↑
水里所含的碳酸氢镁先形成难溶于水的碳酸镁沉淀。
Mg（HCO3）2
MgCO3↓+H2O+CO2↑
继续加热煮沸，MgCO3会与水反应，生成更难溶的Mg（OH）2沉淀：
MgCO3+H2O
Mg（OH）2↓+CO2↑
A、水垢的主要成分为CaCO3和Mg（OH）2。
B、MgCO3在加热煮沸过程中能发生水解反应。
由于水解生成的Mg（OH）2沉淀溶解度比MgCO3的溶解度更小，又有CO2气体生成，使水解反应趋于完全，所以MgCO3沉淀转化为Mg（OH）2沉淀。
（2）药剂软化法（石灰纯碱法）
在这种方法中，暂时硬度加入石灰就可以完全消除，HCO3－都被转化成CO32－。
而镁的永久硬度在石灰的作用下会转化为等物质的量的钙的硬度，最后被去除。
反应过程中，镁都是以氢氧化镁的形式沉淀，而钙都是以碳酸钙的形式沉淀。
Ca2+（aq）——石灰一苏打法—→—一CaCO3（s）
Mg2+（aq）——石灰一苏打法—→Mg（OH）2（s）
（3）离子交换法
离子交换法是用离子交换剂软化水的方法。
离子交换剂中的阳离子与水中的Ca2+、Mg2+发生离子交换作用，使水得到软化。
②离子交换剂：
现在常用作离子交换剂的离子交换树脂是一类不溶于水但能与溶液中同电性离子进行交换的有机高分子电解质，常用NaR、HR等表示。
③发生的反应为：
2NaR+Ca2+==CaR2+2Na+，
2NaR+Mg2+==MgR2+2Na+。
③离子交换树脂的再生
离子交换树脂使用一段时间后就失去了软化硬水的能力。
常用5％～8％NaCl溶液浸泡，CaR2和MgR2跟Na+发生交换作用重新生成NaR，从而又恢复了磺化煤软化硬水的能力：
CaR2+2Na+===2NaR+Ca2+，这个过程叫再生。
④离子交换法的优点
离子交换法比药剂软化法质量高，设备简单，占用面积小，操作方便。
石灰纯碱法软化硬水的原理是什么？
Ca（HCO3）2+Ca（OH）2==2CaCO3↓+2H2O；
Mg（HCO3）2+2Ca（OH）2==2CaCO3↓+Mg（OH）2↓+2H2O
由此可见，石灰水可以消除暂时硬度。
CaCl2+Na2CO3==CaCO3↓+2NaCl
MgSO4+Ca（OH）2==Mg（OH）2↓+CaSO4；
CaSO4+Na2CO3==CaCO3↓+Na2SO4
加入石灰水可使永久硬水中的Mg2+形成的硬度转化成Ca2+所形成的硬度；
再加入纯碱则可除去Ca2+，从而使硬水软化。
用石灰纯碱法软化水的操作次序不能颠倒，如果颠倒，则Ca2+所形成的硬度不能除去。
要点三、污水处理要点【：
化学与资源开发利用#污水处理】
1．废水处理技术
废水排放是引起水污染的一个重要方面，目前采用的污水处理基本方法：
废水处理是用物理、化学或生物方法，或几种方法配合使用以去除废水中的有害物质，按照水质状况及处理后出水的去向确定其处理程度，废水处理一般可分为一级、二级和三级处理。
一级处理通常采用物理方法，即用格栅间、筛网、沉沙池、沉淀池、隔油池等构筑物，去除废水中的固体悬浮物、浮油，初步调整pH，减轻废水的腐化程度。
废水经一级处理后，一般达不到排放标准（BOD去除率仅25％～40％）。
故通常为预处理阶段，以减轻后续处理工序的负荷和提高处理效果。
二级处理是采用生物方法及某些化学方法，除废水中的可降解有机物和部分胶体污染物。
经过二级处理后，废水中BOD的去除率可达80％～90％，即BOD含量可低于30mg／L。
经过二级处理后的水，一般可达到农灌标准和废水排放标准，故二级处理是废水处理的主体。
但经过二级处理的水中还存留一定量的悬浮物、生物不能分解的溶解性有机物、溶解性无机物和氮磷等藻类增值营养物，并含有病毒和细菌。
因而不能满足要求较高的排放标准，如处理后排入流量较小、稀释能力较差的河流就可能引起污染，也不能直接用作自来水、工业用水和地下水的补给水源。
三级处理是进一步去除二级处理未能去除的污染物，如磷、氮及生物难以降解的有机污染物、无机污染物、病原体等。
废水的三级处理是在二级处理的基础上，进一步采用化学法（化学氧化、化学沉淀等）、物理化学法（吸附、离子交换、膜分离技术等）以除去某些特定污染物的一种“深度处理”方法。
2．污水处理的化学方法
（1）中和法：
对于酸性废水和碱性废水，可以用中和法进行处理。
如用熟石灰来中和钢铁厂、电镀厂等产生的酸性废水；
用硫酸或二氧化碳中和造纸厂等产生的碱性废水等。
（2）沉淀法：
对于含有重金属离子的工业废水，可以利用化学物质作为沉淀剂，与金属离子反应生成沉淀而析出，从废水中分离出来。
如废水中的一些重金属离子常用Na2S来除去。
Hg2++S2－==HgS↓，Cu2++S2－=CuS↓，Pb2++S2－==PbS↓。
要点四、海水淡化
海水淡化的方法，基本上分为两大类：
（1）从海水中取淡水，有蒸馏法、反渗透法、冷冻法。
（2）除去海水中的盐分，有电渗析法、离子交换法。
目前应用第一类方法为主。
1．蒸馏法
蒸馏法是一种使海水通过加热生成水蒸气，水蒸气再凝结成可饮用的淡水。
蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。
2．电渗析法
该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。
离子交换膜是0.5～1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为阳离子交换膜（阳膜）与阴离子交换膜（阴膜）。
电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室，海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。
电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。
3．反渗透法
通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。
该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。
在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。
此时，海水一侧高出的水柱净压称为渗透压。
如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。
反渗透法的最大优点是节能。
它的能耗仅为电渗析法的1／2，蒸馏法的1／40。
4．冷冻法
把冷海水喷入真空室，部分海水蒸发吸热使其余海水冷却形成冰晶。
固体冰晶中的杂质要比原溶液中少得多。
将得到的冰晶用适量的淡水淋洗、熔化，就得到了淡水。
要点五、海水中盐的开发和利用【：
化学与资源开发利用#海水资源的开发和利用】
（一）海水制盐——蒸发法（盐田法）
1．原理：
在太阳照射后，海水受热使水分蒸发，当各种盐分别达到其饱和浓度时，依次以固态形式析出。
2．作为盐田的条件：
有平坦空旷的海滩，且潮汐落差大；
气候干燥、多风、少雨；
远离江河入海口，避免海水被淡水冲稀。
3．盐田的构成：
盐田一般分贮水池、蒸发池和结晶池三部分。
4．过程：
晒盐时，利用涨潮把海水引入贮水池，待海水澄清后，使它顺序流经蒸发池各区，经过风吹、日晒，海水逐渐蒸发浓缩，达到一定浓度后，引入结晶池继续浓缩，直至达到饱和析出食盐晶体；
分离食盐晶体后所得到的母液叫苦卤，可以综合利用，获得一系列副产品。
（二）食盐资源的利用——氯碱工业
1．电解饱和食盐水反应原理
在NaCl溶液中存在的离子有Na+、H+、Cl－和OH－，通直流电后，带负电的OH－和Cl－向阳极移动，由于此时Cl－比OH－容易失电子，在阳极Cl－被氧化生成Cl2，电极反应：
2Cl－－2e－==Cl2↑；
带正电的Na+、H+向阴极移动，由于H+比Na+容易得到电子，在阴极H+被还原生成H2，电极反应：
2H++2e－==H2↑。
电解饱和食盐水的总反应式为：
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑，其中阴极区生成H2和NaOH，阳极区生成Cl2。
2．离子交换膜法制烧碱
（1）离子交换膜电解槽的构成
离子交换膜电解槽主要有阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒构成。
每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。
阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；
阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；
阳离子交换膜把电解槽分成阴极室和阳极室。
（2）阳离子交换膜的作用
阳离子交换膜只允许Na+通过而Cl－、OH－和气体则不能通过，其作用两个：
①防止H2和Cl2混合而发生爆炸；
②避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO而影响烧碱的质量。
（3）电解精制的饱和食盐水
如上图，精制的饱和食盐水进入阳极室；
纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室，通电后H2O在阴极表面放电生成H2，放出阴极产物之一湿氢气，Na+则穿过离子膜由阳极室进入阴极室，此时阴极室导入的阴极液中含有NaOH；
Cl－则在阳极表面放电生成Cl2。
电解后的淡盐水则从阳极室导出，经添加食盐增加浓度后可循环利用。
阴极室注入纯水而非NaCl溶液的原因是阴极室发生反应为2H++2e－==H2↑；
而Na+则可透过离子膜到达阴极室生成NaOH溶液，但在电解开始时，为增强溶液导电性，同时又不引入新杂质，阴极室水中往往加入一定量NaOH溶液。
离子交换膜法电解制碱的主要生产流程
阴极室中进入的是纯水，但要加入少量的NaOH，其目的是增强导电性。
（4）以氯碱工业为基础的化工生产
烧碱是基本化工原料之一，主要用于制造有机化学品、造纸、肥皂、玻璃、纺织印染等。
氯气的用途非常广泛，主要有液氯、盐酸及漂粉精、次氯酸钠等漂白消毒系列产品，大量用于制造有机氯农药，在有机合成方面有更广泛、更大的用途。
氢气除用于制盐酸和聚氯乙烯外，另一重大用途是植物油加氢生产硬化油，此外，用于金属的冶炼。
3．食盐水的精制
粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－等杂质，不符合电解要求，电解前必须经过精制。
①加入稍过量的BaCl2溶液（使粗盐水中的SO42－形成沉淀）；
②加入稍过量的Na2CO3溶液（使粗盐水中的Ca2+和过量的Ba2+形成沉淀）；
③加入稍过量的NaOH溶液（使溶液中的Mg2+、Fe3+等形成氢氧化物沉淀）；
④过滤；
⑤加入适量的HCl（调节溶液的pH并除去CO32－）；
⑥通过阳离子交换树脂（除去溶液中残留的Ca2+、Mg2+等金属离子）。
有关反应离子方程式：
Ba2++SO42－==BaSO4↓；
CO32－+Ba2+==BaCO3↓
Ca2++CO32－==CaCO3↓；
Mg2++2OH－==Mg（OH）2↓
Fe3++3OH－==Fe（OH）3↓；
CO32－+2H+==CO2↑+H2O
这样得到的盐水仍含有少量Ca2+、Mg2+等金属离子，还需要通过阳离子交换树脂进一步除去。
注意事项：
①Na2CO3溶液一定要在BaCl2溶液后加入，不然Ba2+不能除去；
②盐酸一定要在Na2CO3溶液后加入，不然CO32－不能除去；
③在加盐酸之前，一定要过滤。
否则，沉淀又会转化为杂质离子。
要点六、海水提溴
1．原理
（1）氯化：
用氯水将海水中的Br―氧化，使其变成Br2。
离子方程式为：
Cl2+2Br―=2Cl―+Br2
（2）吹出：
当海水中的Br―被氧化成Br2以后，用空气将其吹出。
（3）吸收：
用空气吹出的溴和空气混合在一起，不容易分离。
可用SO2作还原剂，使Br2转化为氢溴酸，再用氯气将其氧化得到溴产品。
有关化学方程式为SO2+Br2+2H2O=2HBr+H2SO4Cl2+2Br―=2Cl―+Br2
2．流程
特别提示
从海带中提取碘：
氯气
主要化学原理：
Cl2+2KI==2KCl+I2。
要点七、海水提镁
从海水中提取镁，最基本的方法就是往海水里加碱，得到氢氧化镁沉淀，将沉淀分离出来后，再加入盐酸把它变成氯化镁，经过干燥、电解即可得到金属镁。
1．从海水中提取镁的流程
2．有关反应的化学方程式如下：
MgCl2+Ca（OH）2==Mg（OH）2↓+CaCl2；
Mg（OH）2+2HCl==MgCl2+2H2O
HCl
△
MgCl2·
6H2OMgCl2+6H2O↑；
MgCl2
Mg+Cl2↑
（1）海水和海边的贝壳等原料价格低廉且取之不竭。
（2）电解产生的氯气用于制盐酸，循环使用。
要点八、从海水中提取重水
1．重水：
氢的同位素氘（
）又叫重氢，化学符号为D。
由重氢和氧化合而成的水叫做重水（D2O）。
重水可作原子反应堆的中子减速剂和传热介质。
2．从海水中提取重水：
提取重水的方法有蒸馏法、电解法、化学交换法和吸附法等。
较为常见的是化学法，其中的一种是硫化氢——水双温交换法。
反应为：
H2O（l）+HDS（g）==HDO（l）+H2S（g）。
【典型例题】
类型一：
水的净化处理
例1我国规定饮用水质量标准必须符合下列要求：
pH
6.5～8.5
Ca2+、Mg2+总浓度
＜0.0045mol·
L－1
细菌总数
＜100个／mL
自来水
以下是源水处理成自来水的工艺流程示意图：
（1）源水中含Ca2+、Mg2+、HCO3―、Cl―等，加入石灰后生成Ca（OH）2，进而发生若干复分解反应，写出其中一个离子方程式：
________________。
（2）混凝剂除去悬浮固体颗粒的过程________。
（填写编号）
①只是物理过程；
②只是化学过程；
③是物理和化学过程
FeSO4·
7H2O是常用的混凝剂，它在水中最终生成________沉淀。
（3）通入二氧化碳的目的是________和________。
（4）气体A的作用是________，这种作用是基于气体A和水反应的产物具有________性。
（5）下列物质中，________可以作为气体A的代用品。
①Ca（ClO）2；
②NH3（液）；
③K2FeO4；
④SO2
【思路点拨】本题考查水的净化及其初步处理方法。
需要明确水中的杂质及其处理步骤，反应的原理及其对应的化学方程式，将所学的知识综合运用，同时考查学生对教材延伸知识点的掌握。
【答案】
（1）HCO3―+OH―==CO32―+H2OMg2++2OH―==Mg（OH）2↓Ca2++HCO3―+OH―==CaCO3↓+H2O
（2）③胶状Fe（OH）3（3）除去Ca2+调节pH
（4）杀菌消毒强氧化（5）①③
【解析】
（2）凝聚剂加入水中一般先发生水解（化学过程），生成的胶状物吸附悬浮物（物理过程）。
（3）加入二氧化碳可以除去过量的Ca（OH）2，其作用是除去Ca2+和调节pH。
（4）除去水中的悬浮物后，就必须对水进行消毒。
所以通入气体A的作用定为杀菌消毒（如可通入氯气），显然是利用气体A跟水反应的产物具有强氧化性。
（5）根据（4）的分析，作为气体A的代用品必须具有强氧化性，对照选项，可得答案为①③。
【总结升华】本题注重考核学生对基础知识理解的深度，要求学生在所学化学知识的基础上会思考、会分析，能用好知识、用活知识。
本题能把学科知识与社会、生产、生活情景相互沟通，使学生体会到学有所获、学有所用。
试题还要求学生在解题过程中善于调用已形成的知识网络，把水的净化知识综合后迁移到本题中来，这对学生调用知识块的效率和速度提出了高要求。
举一反三：
【变式1】
（1）自来水厂用绿矾和氯水一起净水，试用离子方程式和简要的文字叙述原理。
（2）根据水源的情况来确定处理水的化学试剂，下列试剂中：
①Cl2；
②NaClO；
③Ca（ClO）2；
④Ca（OH）2；
⑤O3；
⑥明矾溶液；
⑦Fe（OH）xCl（3―x）。
能用来使水消毒的是________；
能用来使水净化的是________。
（1）2Fe2++Cl2==2Fe3++2Cl―，Cl2+H2O==H++Cl―+HClO，Fe3++3H2O
Fe（OH）3+3H+
HClO能杀菌消毒，Fe（OH）3胶体吸附水中的悬浮杂质。
（2）①②③⑤⑥⑦
【变式2】
（2015上海模拟）明矾是一种较好的净水剂，这是因为（）。
A．本身有较强的吸附性
B．本身与悬浮杂质生成沉淀
C．Al3+水解呈酸性
D．Al3+水解生成的Al（OH）3有吸附作用
【答案】D
【解析】明矾溶于水电离出Al3+，Al3+水解生成Al（OH）3胶体：
Al3++3H2O
Al（OH）3（胶体）+3H+，Al（OH）3（胶体）有吸附作用。
类型二：
硬水及其软化
例2三个瓶中分别盛有蒸馏水、暂时硬水和永久硬水，请自选试剂设计一个简单的实验，将其区别开来。
【思路点拨】本题考查硬水、软水及硬水中的暂时硬水和永久硬水等概念问题。
需要明确引起硬水中的硬度的因素，再根据必修中学习的元素化合物的知识，鉴别其中的离子。
【答案】取三种水少许分别装于三支试管中，加热，产生沉淀的为暂时硬水。
再向剩余二支试管中加肥皂水或Na2CO3溶液，产生白色沉淀的是永久硬度的水。
无现象的是蒸馏水。
【解析】暂时硬水中含有较多的Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2，加热即有沉淀生成现象；
而永久硬水中含有较多的CaCl2、MgCl2、MgSO4、CaSO4等，加热不会出现沉淀，只有加入肥皂水或Na2CO3等才会有沉淀。
例3（2015北京海淀）某天然水中含有较多的Ca2+、Mg2+、HCO3－、SO42－等杂质离子，关于此天然水的下列叙述中不正确的是（）。
A．天然水具有暂时硬度和永久硬度
B．加入明矾，能除去此天然水中各种杂质离子而使之净化
C．将天然水蒸馏，可得较纯的蒸馏水
D．将天然水通过磺化煤的装置后可使之软化
【思路点拨】本题考查硬水的软化。
实质仍然是离子反应、离子共存问题。
【答案】B
【解析】明矾净水是因为Al3+水解生成Al（OH）3胶体，通过电性吸引作用，破坏天然水中胶体杂质的稳定性，使之聚沉，同时，Al（OH）3胶体还能吸附天然水中的悬浮物，达到净水目的，但不能除去各种离子，因此B不正确。
【总结升华】必须掌握各种硬水软化方法的本质，明晰硬水软化的过程。
【变式1】试用化学方法证明某天然水既有暂时硬度又有永久硬度？
【答案】将天然水煮沸，有白色沉淀生成，说明有暂时硬度。
过滤，向滤液中加入Na2CO3溶液（注意：
若加NaOH溶液，则不能证明由Ca2+引起的永久硬度而结论不确切），若有白色沉淀产生，证明有永久硬度。
类型三：
氯碱工业的原理及相关计算
例4在20℃时氯化钠的溶解度为36.0g。
现取一定量该温度下的饱和氯化钠溶液，用惰性电极电解。
当阳极析出11.2L（标准状况下）气体时，氯化钠完全消耗，所得溶液密度为1.20g·
cm－3。
若忽略电极产物在溶液中的溶解，试计算：
（1）电解时所取饱和氯化钠溶液的质量。
（2）电解后溶液中氢氧化钠的物质的量浓度。
【思路点拨】本题考查电解饱和食盐水的原理及其简单计算。
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