高中化学主题海水资源工业制碱课题2氯碱生产教案选修.docx
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高中化学主题海水资源工业制碱课题2氯碱生产教案选修
课题2氯碱生产
●课标要求
了解海水的综合利用,认识化学科学发展对自然资源利用的作用。
●课标解读
1.了解海水资源的利用。
如海水淡化,海水提溴、提镁,氯碱生产。
2.理解以海水作为原料的化工生产的原理,了解化工生产中的产品。
●教学地位
氯碱生产是我国重要化学工业,电解原理在氯碱生产中的应用是高考中的高频考点,尤其是电极反应式的书写、电极产物的判断、有关实验现象,工艺流程中的实验操作是高考的热点。
●新课导入建议
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。
你知道工业上如何生产氯气吗?
●教学流程设计
课前预习安排:
看教材P26-33,填写[课前自主导学],并完成[思考交流]。
⇒步骤1:
导入新课,
本课时教学地位分析。
⇒步骤2:
建议对[思考交流]进行提问,反馈学生预习效果。
⇒步骤3:
师生互动完成探究1,可利用[问题导思]的设问作为主线。
⇓
步骤7:
通过[例2]的讲解研析,对“探究2,粗盐的精制”中注意的问题进行总结。
⇐步骤6:
师生互动完成“探究2”。
⇐步骤5:
指导学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]1、4、5题。
⇐步骤4:
通过[例1]和教材P26-27“氯碱生产的核心技术——电解”讲解研析,对“探究1,电解产物的判断”中注意的问题进行总结。
⇓
步骤8:
指导学生自主完成[变式训练2]和[当堂双基达标]中的2、3题。
⇒步骤9:
引导学生自主总结本课时知识框架,然后对照[课堂小结]。
安排课下作业完成[课后知能检测]。
课 标 解 读
重 点 难 点
1.了解电解的概念和电解食盐水的原理,并能写出相应的电极反应式和总反应的化学方程式。
2.知道电解槽的基本结构、作用及其主要类型,能说明离子膜电解槽的工作原理,知道离子膜法电解制烧碱的主要工艺流程,了解精制盐水的原理和方法。
3.能举例说明氯碱工业产品的主要用途。
1.电解原理及电解装置特点,明确氯碱生产是电解原理的重要应用。
(重点)
2.氯碱生产的工艺流程,知道基本装置——电解槽以及电极材料。
(重难点)
3.氯碱生产的产品及重要应用。
(难点)
氯碱生产的核心技术——电解
1.电解
(1)定义:
使电流通过电解质溶液或熔融态的电解质,在阴、阳两极分别发生还原反应和氧化反应的过程。
(2)电解装置——电解槽
电解槽
(3)电解原理
阴极:
阳离子移向阴极,得电子,发生还原反应。
阳极:
阴离子移向阳极,失电子,发生氧化反应。
2.电解饱和食盐水
(1)离子移动方向
Na+、H+移向阴极,Cl-、OH-移向阳极。
(2)电极反应及总反应
阴极:
2H++2e-===H2↑
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
总反应:
2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑
(3)现象
向溶液中滴入酚酞时,阴极变红色;阳极出现黄绿色气体,能使润湿的KI淀粉试纸变蓝色。
1.电解饱和食盐水时,如何检验阴极气体成分?
【提示】 收集一小试管阴极产生的气体,靠近酒精灯火焰,产生淡蓝色火焰,并发出“噗噗”响声,证明有H2生成。
氯碱生产的基本装置——电解槽
1.如何有效地隔开电解产物
电解槽的阴极室和阳极室用阳离子膜隔开,精制饱和食盐水进入阳极室,去离子水进入阴极室。
阳离子膜具有选择透过性,它只允许阳离子Na+透过膜进入阴极室,而阴离子Cl-、OH-和气体则不能透过。
2.选择什么样的电极材料
阳极材料:
以钛为基体、其表面涂有钌和钛氧化物涂层的金属。
阴极材料:
低碳钢。
2.阳离子膜和阴离子膜的作用有什么不同?
【提示】 阳离子膜只允许阳离子透过,阴离子和分子不能透过;阴离子膜只允许阴离子透过,阳离子和分子不能透过。
氯碱工业产品
电解产物的判断
【问题导思】
①电解时,阴离子一定在阳极放电吗?
【提示】 不一定。
阳极材料为活性电极时,材料本身失电子而放电,溶液中阴离子不放电。
②电解饱和食盐水时,向溶液中滴入酚酞试液,为什么阴极区溶液变红色?
【提示】 阴极:
2H++2e-===H2↑,使阴极区溶液碱性增强。
③你知道阳极、阴极上离子的放电顺序吗?
【提示】 见要点1、2。
1.阳极产物判断
首先看电极,如果是活性电极(金属活动性顺序中Ag以前的金属),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),则要再看溶液中的离子的失电子能力。
此时根据阴离子放电顺序加以判断。
阴离子放电顺序:
S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根。
2.阴极产物的判断
直接根据阳离子放电顺序进行判断,阳离子放电顺序:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
下图中能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是( )
【解析】 电解食盐水时,2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,H2在阴极产生,Cl2在阳极产生。
由图可知每一装置左侧都是用来收集H2的,而右侧是用来检验Cl2(使淀粉KI溶液变蓝)。
【答案】 D
电解槽中电子流向和电流方向:
电子流向:
阳极→正极→负极→阴极(直流电源相当于“电子泵”)
电流方向
1.下图所示装置中,a、b都是惰性电极,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色。
下列说法中正确的是( )
A.X是正极,Y是负极
B.X是负极,Y是正极
C.CuSO4溶液的pH逐渐变大
D.CuSO4溶液的pH不变
【解析】 由装置图可知为串联的电解槽,右装置b极附近呈红色,说明b为阴极,则Y为负极、X为正极;进而推知Pt为阳极、Cu为阴极,电解CuSO4溶液的反应为:
2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,溶液中c(H+)增大,pH逐渐变小。
【答案】 A
粗盐的精制
【问题导思】
①氯碱生产中,能否用粗盐水代替精制盐水?
【提示】 不能,粗盐水中的泥沙,以及电解时生成的Ca(OH)2、Mg(OH)2沉淀堵塞离子交换膜。
②除去粗盐中的SO
、Ca2+、Mg2+、Fe3+分别用什么试剂?
【提示】 SO
——BaCl2、Mg2+、Fe3+——NaOH、Ca2+——Na2CO3。
③粗盐提纯时,加入试剂的顺序中,Na2CO3能否排在BaCl2之前?
【提示】 不能。
过量的Ba2+须用CO
除去,故加入顺序中,Na2CO3一定排在BaCl2之后。
1.粗盐的成分
粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO
等杂质,不符合电解要求,因此必须经过精制。
2.杂质的危害
Ca2+、Mg2+等金属离子在碱性环境中会生成沉淀,损坏离子交换膜;此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。
3.除杂质的过程
粗盐水
含少量Ca2+、Mg2+
精制盐水
(1)除杂质时所加试剂的顺序要求是:
Na2CO3必须在BaCl2之后;加入盐酸在过滤之后。
(2)试剂加入顺序有多种选择:
①BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、盐酸
②BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、盐酸
③NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、盐酸
(双选)为了除去粗盐中Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe3+、SO
及泥沙,可将粗盐溶于水,然后进行下列五项操作,正确的操作顺序是( )
①过滤 ②加过量NaOH溶液 ③加适量盐酸
④加过量Na2CO3溶液 ⑤加入过量的BaCl2溶液
A.①④②⑤③ B.④①②⑤③
C.②⑤④①③D.⑤②④①③
【解析】 按除杂的基本要求,为了保证杂质离子完全除去,所有试剂一般应用稍过量,但又不能引入新杂质,而且方法要尽可能简单。
解题时,要弄清每加一种试剂的作用以及过量的试剂如何在下一步除去。
过量的NaOH溶液是为了使粗盐水中的Mg2+、Cu2+、Fe3+等离子形成沉淀,多加的NaOH溶液最后可用HCl溶液中和;加BaCl2可除去SO
;加过量的Na2CO3溶液是为了使粗盐水中的Ca2+以及上一步中过量的Ba2+形成沉淀而除去。
从以上分析可以知道Na2CO3溶液必须在加入BaCl2溶液之后才能加入,以保证过量的Ba2+不致引入新杂质;而盐酸应该在过滤操作后加入,以防止在加入酸调节溶液pH时,某些沉淀会溶解或部分溶解。
至于NaOH溶液和BaCl2溶液加入的先后顺序,则没有原则性的差别。
按以上分析可以知道C和D选项符合题意。
【答案】 CD
除杂原则:
(1)除杂试剂需过量;
(2)过量试剂需除尽;(3)除去多种杂质要考虑加入试剂的顺序;(4)选择最佳的除杂途径。
2.氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程如图所示。
依据图,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反应的电极反应式为______________;与电源负极相连的电极附近,溶液pH______________(填“不变”、“升高”或“下降”)。
(2)工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质,精制过程发生反应的离子方程式为:
________________________________________________________________________;
________________________________________________________________________。
(3)如果精盐中SO
含量较高,必须添加钡试剂除去SO
,该钡试剂可以是__________。
a.Ba(OH)2 b.Ba(NO3)2 c.BaCl2
(4)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异,通过______________、冷却、______________(填操作名称)除去NaCl。
(5)用隔膜法电解食盐水时,电解槽分隔为阳极区和阴极区,防止Cl2与NaOH反应;在用离子交换膜法电解食盐水时,阴离子交换膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室的目的是________________________________________________________________________。
采用无隔膜电解冷的食盐水时,Cl2与NaOH充分接触,产物仅是NaClO和H2O,相应的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【解析】 与电源正极相连的极是电解池阳极,阴离子在电极上放电。
而阴极上H+放电后导致OH-富集,碱性增强。
除杂时以不引入难除去离子为宗旨,尽量避免加入杂质离子故除Ca2+用Na2CO3,除Mg2+用NaOH,钡盐可选用Ba(OH)2、BaCl2。
利用溶解度的差异可以用蒸发结晶法除去NaOH中NaCl。
而不采用隔膜时Cl2与NaOH直接接触生成NaClO。
【答案】
(1)2Cl--2e-===Cl2↑ 升高
(2)Ca2++CO
===CaCO3↓ Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓ (3)ac (4)蒸发 过滤
(5)防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸并避免Cl2和NaOH溶液反应生成NaClO而影响烧碱的质量
NaCl+H2O
NaClO+H2↑或
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O
【教师备课资源】
食盐的妙用
(1)清晨喝一杯盐开水,可以使大便畅通,还可以治喉咙痛、牙痛。
(2)每天用淡盐水漱口,可以预防各种口腔疾病。
(3)洗浴时,在水中加少量食盐,可使皮肤强健。
(4)花生油内含水分,久贮会发臭。
可将盐炒热,凉后,按40斤油1斤盐的比例,加入食盐,可以使花生油2~3年仍保持色滑、味香。
(5)鲜花插入稀盐水里,可数日不谢。
(6)洗有颜色的衣服时,先用5%盐水浸泡10分钟,然后再洗,则不易掉色。
1.食盐水中的4种离子:
Na+、Cl-、H+、OH-。
2.电解饱和食盐水的3个反应式:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
总反应:
2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑
3.阳离子膜的特点:
允许阳离子通过,不允许阴离子通过。
4.氯碱工业的3种主要产品:
烧碱、氯气、氢气。
1.下列物质不属于氯碱工业产品的是( )
A.液氯 B.盐酸
C.乙烯D.漂白粉
【解析】 由2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑可知液氯是氯碱工业产品,则含氯物质(盐酸、漂白粉)也属于氯碱工业产品。
【答案】 C
2.过滤操作中一定不需要的仪器是( )
A.漏斗B.烧杯
C.蒸发皿D.玻璃棒
【解析】 过滤操作中用到的仪器有漏斗、烧杯、玻璃棒、铁架台。
【答案】 C
3.“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,三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,过滤后要对澄清滤液进行蒸发,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】 D
4.下列关于用离子膜电解槽电解饱和食盐水的叙述不正确的是( )
A.精制饱和食盐水注入阳极室
B.Cl-和OH-透过阳离子膜进入阳极室
C.阴极区溶液使酚酞试液显红色
D.阳极产生使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝的气体
【答案】 B
5.在图中,两容器都盛有食盐水和酚酞混合液,在下列装置中最先观察到变红现象的区域是__________,并写出各极的反应式。
甲:
________________________________________________________________________;
乙:
________________________________________________________________________;
丙:
________________________________________________________________________;
丁:
________________________________________________________________________。
【解析】 图Ⅰ构成原电池,图Ⅱ构成电解池。
在Ⅰ中实际发生了吸氧腐蚀,在铁极:
O2+4e-+2H2O===4OH-,Zn极:
Zn-2e-===Zn2+;在Ⅱ中铁极:
Fe-2e-===Fe2+,锌极:
2H++2e-===H2↑。
故在Ⅰ中铁极区域显碱性,在Ⅱ中锌极区域显碱性,而变红。
【答案】 甲和丁的附近 甲:
2H++2e-===H2↑ 乙:
Fe-2e-===Fe2+ 丙:
Zn-2e-===Zn2+
丁:
O2+4e-+2H2O===4OH-
1.关于电解NaCl的水溶液,下列叙述正确的是( )
A.电解时阳极得到Cl2,阴极得到钠
B.在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕色
C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞,溶液呈无色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
【解析】 电解时阴极:
2H++2e-===H2↑(H+由H2O提供后剩余OH-显碱性),阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑(Cl2有一部分溶于水,呈强氧化性,滴入KI后生成I2)。
【答案】 B
2.下列关于离子交换膜电解槽的叙述,错误的是( )
A.精制的饱和食盐水进入阳极室
B.纯水(加少量NaOH)进入阴极室
C.阴极产物为NaOH和氢气
D.电解槽的阳极用金属铁网制成
【解析】 离子交换膜电解槽阳极产物为Cl2,阴极为NaOH和H2。
阳极发生氧化反应:
2Cl--2e-===Cl2↑,若是铁做阳极,则Fe原子失去电子,阳极不会得到Cl2;阴极发生还原反应:
2H++2e-===H2↑,需补充H2O,Na+自阳极室进入阴极室后,与OH-形成NaOH。
【答案】 D
3.目前下列工艺过程没有直接使用离子交换技术的是( )
A.硬水的软化
B.电解饱和食盐水制造NaOH
C.电渗析淡化海水
D.海水中提取金属Mg
【解析】 海水中提取金属Mg的基本过程为:
海水
氢氧化镁
氯化镁溶液
氯化镁晶体
无水氯化镁
金属镁。
【答案】 D
4.氯碱工业生产中,每生产1tCl2,理论上应得到烧碱( )
A.1.127t B.1t
C.2tD.2mol
【解析】 C
2~2NaO
,m(NaOH)=
×1t=1.127t。
【答案】 A
5.下列说法错误的是( )
A.电解饱和食盐水的工厂可以生产盐酸
B.电解饱和食盐水在阴极区有NaOH生成
C.用离子交换膜法制烧碱不会对环境造成污染
D.氯碱工业产品可用于造纸、金属冶炼等行业
【解析】 氯碱工业会产生三废(废气、废水、废渣),故必对环境造成污染。
【答案】 C
6.氯碱工业的电解槽使用的交换膜是( )
A.阴离子交换膜B.阳离子交换膜
C.滤纸D.塑料薄膜
【解析】 氯碱工业的电解槽中,使用阳离子交换膜,防止Cl2和H2混合。
【答案】 B
7.在氯碱工业中,原料盐中的杂质离子危害很高,能破坏离子膜,以下对Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO
除去顺序不合理的是( )
A.BaCl2、NaOH、Na2CO3
B.BaCl2、Na2CO3、NaOH
C.NaOH、BaCl2、Na2CO3
D.Na2CO3、BaCl2、NaOH
【解析】 除杂原则是每一种试剂必须过量,不能引入杂质离子,或者引入的杂质离子利用后加试剂能除去。
而D选项加入BaCl2后,再加NaOH时不能将过多的钡离子除去,从而引入新的杂质。
【答案】 D
8.(2013·温州高二检测)用惰性电极电解未精制的食盐水,食盐水装在U形管内。
结果很快在某一电极附近出现食盐水浑浊现象。
造成浑浊的难溶物主要是( )
A.碳酸镁B.硫酸钡
C.氢氧化镁D.碳酸钡
【解析】 未精制的食盐水中含Ca2+、Mg2+,电解时产生的NaOH与Mg2+反应生成Mg(OH)2沉淀。
【答案】 C
9.取一张用饱和的NaCl溶液浸湿的pH试纸,两根铅笔芯做电极,接通直流电源,一段时间后,发现a电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圈为白色,外圈呈浅红色。
则下列说法错误的是( )
A.b电极是阴极
B.a电极与电源的正极相连
C.电解过程中,水是氧化剂
D.b电极附近溶液的pH变小
【解析】 a电极与试纸接触处出现一个双色同心圆,内圈为白色,外圈呈浅红色,说明a极产生了Cl2,所以a极与电源的正极相连,即a为阳极,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,b为阴极,2H++2e-===H2↑,电解促进水的电离,所以b极附近的pH增大。
【答案】 D
10.下图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。
则下列有关判断正确的是( )
A.a为负极、b为正极
B.a为阳极、b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
【解析】 在外电路中电子流向与电流方向相反,而电流从电源正极经外电路流向负极,故可知a为正极,b为负极。
而c、d作为电解槽的两个电极应称为阳、阴极。
在通电时阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,阴极:
Cu2++2e-===Cu,故阴极质量增加,阳极有气体放出。
【答案】 C
11.
某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液,通电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图所示的装置,则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( )
A.a为正极,b为负极;NaClO和NaCl
B.a为负极,b为正极:
NaClO和NaCl
C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl
D.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl
【解析】 电解饱和食盐水生成Cl2、H2和NaOH,同时在电解池内制得消毒液,则该消毒液的有效成分是Cl2和NaOH反应生成的NaClO。
在图示的电解池中,要使Cl2和NaOH充分反应,应使Cl2生成于下方、NaOH生成于上方。
在饱和食盐水的电解池中,Cl2生成于阳极、NaOH生成于阴极。
电解池的阳极连接电源的正极,阴极连接电源的负极。
则a是负极,b是正极。
【答案】 B
12.(2012·安徽高考)某兴趣小组设计如下图所示微型实验装置。
实验时,先断开K2,闭合K1,两极均有气泡产生;一段时间后,断开K1,闭合K2,发现电流表A指针偏转。
下列有关描述正确的是( )
A.断开K2,闭合K1时,总反应的离子方程式为:
2H++2Cl-
Cl2↑+H2↑
B.断开K2,闭合K1时,石墨电极附近溶液变红
C.断开K1,闭合K2时,铜电极上的电极反应式为:
Cl2+2e-===2Cl-
D.断开K1,闭合K2时,石墨电极做正极
【解析】 断开K2,闭合K1时,构成电解池,反应的离子方程式为2H2O+2Cl-
H2↑+Cl2↑+2OH-,石墨电极为阳极,发生反应:
2Cl--2e-===Cl2↑;铜电极为阴极,发生反应:
2H++2e-===H2↑,所以铜电极附近溶液变红。
断开K1,闭合K2时,构成原电池,其中石墨电极为正极。
【答案】 D
13.为除去粗盐中的Ca2+、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
滤液
精盐
(1)判断BaCl2已过量的方法是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)第④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__________________________