北京四中網校2013年高考化學一輪復習 氯堿工業(yè)知識導學

《北京四中網校2013年高考化學一輪復習 氯堿工業(yè)知識導學》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《北京四中網校2013年高考化學一輪復習 氯堿工業(yè)知識導學（13頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、氯堿工業(yè) 　　[重點難點] 　　1．掌握電解飽和食鹽水的基本原理。 　　2．了解離子交換膜法電解食鹽水制燒堿和氯氣的主要生產流程。 　　3．掌握圍繞電解的計算 　　[知識講解] 　　一、電解飽和食鹽水反應原理 　　工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a一系列化工產品，稱為氯堿工業(yè)。 　　1．實驗分析：電解飽和食鹽水 電解飽和食鹽水 　　在U型管里裝入飽和食鹽水，滴入幾滴酚酞試液，用碳棒作陽極、鐵棒作陰極，將濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在陽極附近，接通電源，觀察管內發(fā)生的現(xiàn)象及試紙顏色的變化。 　　注

2、意： 　　鐵棒不可作陽極，否則發(fā)生Fe－2e－=Fe2+； 碘化鉀淀粉試紙需事先用水潤濕。 　　現(xiàn)象： 　　陰、陽兩極均有氣體放出，陽極氣體有刺激性氣味，能使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{；陰極區(qū)域溶液變紅。說明陰極區(qū)域生成物為堿性物質與H2，陽極產物是Cl2。 　　2．電解飽和食鹽水反應原理 　　飽和食鹽水成分：溶液存在Na+、Cl－、H+、OH－四種離子。 　　電極反應式：陰極：2H+＋2e－=H2↑（還原反應）； 　　陽極：2Cl－－2e－=Cl2↑（氧化反應）。 　　實驗現(xiàn)象解釋： 　　（1）陰極區(qū)域變紅原因：由于H+被消耗，使得陰極區(qū)域OH－離子濃度增大（實際上是破壞

3、了附近水的電離平衡，由于KW為定值，c(H+)因電極反應而降低，導致c(OH－)增大，使酚酞試液變紅）。 　　（2）濕潤的碘化鉀淀粉試紙變藍原因：氯氣可以置換出碘化鉀中的碘，Cl2+2KI=2KCl+I2，I2使淀粉變藍。 　　注意： 　　如果試紙被熏蒸的太久，氯氣會把生成的碘氧化成碘酸又使藍色褪去。 　　電解飽和食鹽水的電解方程式： 　　該電解反應屬于放氫生堿型，電解質與水均參與電解反應，類似的還有K2S、MgBr2等。 　　3．以氯堿工業(yè)為基礎的化工生產 　　二、離子交換膜法制燒堿 　　1．離子交換膜電解槽的構成 離子交換膜電解槽 　　主要由陽極、陰

4、極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成；每臺電解槽由若干個單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。陽極用金屬鈦網制成，為了延長電極使用壽命和提高電解效率，陽極網上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網制成，上面涂有鎳涂層；離子交換膜把電解槽分成陰極室和陽極室。 　　電極均為網狀，可增大反應接觸面積，陽極表面的特殊處理是考慮陽極產物Cl2的強腐蝕性。 　　離子交換膜法制燒堿名稱的由來，主要是因為使用的陽離子交換膜，該膜有特殊的選擇透過性，只允許陽離子通過而阻止陰離子和氣體通過，即只允許H＋、Na+通過，而Cl－、OH－和兩極產物H2和Cl2無法通過，因而起到了防止陽極產物Cl2和陰極產物H2相混合而可

5、能導致爆炸的危險，還起到了避免Cl2和陰極另一產物NaOH反應而生成NaClO影響燒堿純度的作用。 上海天原化工廠電解車間的離子交換膜電解槽 　　2．離子交換膜法電解制堿的主要生產流程 　　如圖，精制的飽和食鹽水進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室，通電后H2O在陰極表面放電生成H2，Na+則穿過離子膜由陽極室進入陰極室，此時陰極室導入的陰極液中含有NaOH；Cl－則在陽極表面放電生成Cl2。電解后的淡鹽水則從陽極室導出，經添加食鹽增加濃度后可循環(huán)利用。 　　陰極室注入純水而非NaCl溶液的原因是陰極室發(fā)生反應為2H++2e－=H2↑；而Na+則可透

6、過離子膜到達陰極室生成NaOH溶液，但在電解開始時，為增強溶液導電性，同時又不引入新雜質，陰極室水中往往加入一定量NaOH溶液。 　　氯堿工業(yè)的主要原料：飽和食鹽水，但由于粗鹽水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO等雜質，遠不能達到電解要求，因此必須經過提純精制。 　　3．精制食鹽水的方法 　　電解食鹽水時，要求食鹽要純凈，而一般粗鹽中含許多雜質，電解前一定要提純。 　?、糯蛀}的成分 　　粗鹽中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42—雜質，不符合電解要求，因此必須經過精制。 　?、齐s質的危害 　　Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子在堿性環(huán)境

7、中會生成沉淀，損壞離子交換膜；此外，雜質的存在會使得到的產品不純。 　?、浅s質的過程 　?、茸⒁馐马? 　?。?＞除雜質時所加試劑的順序要求是： 　　①Na2CO3必須在BaCl2之后，以除去前面引入的Ba2+等； 　　②過濾之后再加入鹽酸。 　?。?＞試劑加入順序有多種選擇，如： 　?、貰aCl2、NaOH、Na2CO3、過濾、HCl； 　?、贐aCl2、Na2CO3、NaOH、過濾、HCl； 　?、跱aOH、BaCl2、Na2CO3、過濾、HCl。 　　精制食鹽水時經常加入BaCl2、Na2CO3、NaOH等，使雜質成為沉淀，過濾除去，然后

8、加入鹽酸調節(jié)鹽水的pH。 　　步驟： 　?、偌尤肷赃^量的NaOH溶液（使Mg2+、Fe3+等離子形成難溶的氫氧化物沉淀），此時溶液已呈堿性； 　?、诩尤肷赃^量BaCl2溶液（使粗鹽水中的SO形成沉淀）；（其中①、②順序可以交換。） 　?、奂尤肷赃^量的Na2CO3溶液（使Ca2+以及過量的Ba2+分別形成CaCO3和BaCO3沉淀）； 　?、苓^濾（除去Mg(OH)2、Fe(OH)3、BaSO4、CaCO3、BaCO3及泥沙等）； 　?、菰跒V液中加適量鹽酸（除去過量的CO，調節(jié)溶液的pH）； 　?、尥ㄟ^陽離子交換樹脂（除去殘留的微量Ca2+、Mg2+等離子）。

9、 　　陽離子交換樹脂，可用NaR表示其組成，該樹脂中的Na+可與溶液中Ca2+、Mg2+等陽離子發(fā)生交換，而達到除去水中Ca2+、Mg2+離子的目的；該樹脂可循環(huán)利用，將用久后的樹脂放入NaCl溶液中時，又可將Ca2+、Mg2+與食鹽水中Na+交換而恢復功能。 　　三、關于電解飽和食鹽水實驗 　　1．實驗步驟 　　如圖4—1所示在燒杯里裝入飽和食鹽水，滴入幾滴酚酞試液。用導線把鐵釘、石墨捧、電流表接在直流電源上。觀察現(xiàn)象，并用濕潤的碘化鉀淀粉試紙檢驗陽極放出的氣體。 　　2．實驗現(xiàn)象 　　石墨棒上有氣泡逸出、該氣體呈黃綠色，有刺激性氣味，使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{。石

10、墨棒附近的溶液由無色變?yōu)辄S綠色。鐵釘上逸出氣體，該氣體無色、無味。鐵釘附近的溶液由無色先后變?yōu)闇\紅色、紅色，且紅色區(qū)域逐漸擴大。 　　3．實驗結論 　　電解飽和食鹽水生成氯氣、氫氣和氫氧化鈉。 　　陽極反應　 2Cl-—2e-＝Cl2↑ 　　陰極反應　 2H++2e-＝H2↑ 　　電解方程式　 　　離子方程式　 　　4．注意事項 　　(1)電源是用低壓直流電源。 　　(2)保證用電安全。 　　(3)食鹽水應是飽和的。 　　(4)用鐵釘作陰極、石墨棒作陽極，不可顛倒。 　　四、關于電化學的計算 　　原則： 　　整個電路中通過

11、的電荷量(即電子總數(shù))相等。常用到的關系如下： H2——Cl2——O2——Cu——2Ag———2H+——2OH— 　　此外，本考點還可與物理學上的法拉第常數(shù)，數(shù)學上的體積計算等聯(lián)合起來進行綜合考查，是“3+X”高考的一個熱點。 　　[典型例題剖析]　 　　例1．把一張用飽和食鹽水與酚酞的混合液浸透了的濾紙放在表面皿上，濾紙的兩端用惰性電極跟直流電源的兩極直接相連，通電一段時間后發(fā)現(xiàn)與濾紙接觸的一個電極附近變成了紅色，則這個電極與直流電源的_______極相連。簡述該電極附近變成紅色的原因。 　　[分析] 　　滴有酚酞的濾紙變紅，說明此處溶液呈堿性，即溶液中c(OH－)

12、>c(H+)。由于原來的食鹽溶液呈中性，即c(OH－)=c(H+)，所以這種變化一定是由于電解造成的。但造成c(OH－>c(H+)的直接原因有兩種可能性：①可能由溶液中OH－向陽極運動造成的；②由于電解時在陰極生成的氫氣破壞了水的電離平衡，從而產生更多的OH－而造成的。 　　由于電解飽和食鹽水時的實驗現(xiàn)象明確告訴我們陰極區(qū)域溶液呈堿性，而如為離子移動造成的話，則應在陽極區(qū)域呈堿性，因此不可能是由于OH－向陽極運動形成的，而是由于電解時陰極H+放電反應：2H++2e－=H2↑，這里的H+是由水電離出來的，由于H+在陰極不停放電而使c(H+)降低，因而促進了該處水的電離，由于一定溫度下水中c

13、(H+)和c(OH－)乘積為常數(shù)KW，而c(H+)降低又是客觀存在的，因此造成c(OH－>c(H+)，從而使陰極區(qū)域呈堿性，因此酚酞變紅的區(qū)域應為陰極區(qū)域，電極應于直流電源的負極相連。 　　[解] 　　負　 由于陰極反應2H++2e－=H2↑，破壞了水的電離平衡，造成c(OH－)>c(H+)，使溶液呈堿性，所以該電極附近的酚酞溶液呈紅色。 　　例2．用石墨作電極，電解1mol/L下列物質的溶液，溶液的pH值保持不變的是（　 ） 　　A．HCl　　 　　B．NaOH　　 　　C．Na2SO4　 　　D．NaCl 　　[分析] 　　選項A，電解1mol/L H

14、Cl溶液。陰極2H++2e－=H2↑，陽極2Cl－－2e－=Cl2↑，H+得電子，c(H+)濃度降低，pH值增大。選項B，電解1mol/L NaOH溶液，陰極2H++2e－=H2↑，陽極4OH－－4e－=2H2O+O2↑，實質上電解水，NaOH濃縮，溶液的pH值增大。選項C，電解1mol/L Na2SO4溶液。陰極2H++2e－=H2↑；陽極4OH－－4e－=2H2O+O2↑，實質上電解水，溶液的pH值保持不變。選項D，電解1mol/L NaCl溶液。陰極2H++2e－=H2↑；陽極2Cl－－2e－=Cl2，破壞了水的電離平衡。c(OH－)增大，pH值增大。 　　答案：C 　　例3

15、．200mL 2mol·L-1的NaCl溶液（r=1.10g·mL-1）在銅電極的電解池中于不斷攪拌下進行電解。當在陰極上有22.4L的氣體放出時停止電解。電解后溶液中NaCl的質量分數(shù)為（　 ） 　　A．12.72%　　 　　B．7.96%　　　 　　C．8.30%　　 　　D．無法計算 　　分析： 　　這是一道重在考查考生審題能力、分析能力習題，要求考生在審題時注意到銅電極和惰性電極的差異。用銅電極電解NaCl溶液時，陽極反應式：Cu－2e－=Cu2+，陰極反應式：2H++2e－=H2↑，電解總反應式：Cu+2H2OCu(OH)2↓+H2↑。可見，對原NaCl溶液損失

16、的僅是水。由反應式可知，陰極上生成22.4L H2時消耗的H2O為2mol，即36g。電解前m[NaCl(aq)]=1.10g·mL-1×200mL=220g，電解后m[NaCl(aq)]=220g-36g=184g， n(NaCl)=2mol·L-1×0.2L=0.4mol，m(NaCl)=0.4mol×58.5g·mol-1=23.4g。 　　 ×100%=12.72% 　　答案：A 　　例4．現(xiàn)有500mL混有NaOH的飽和食鹽水，pH=10，用惰性電極電解一段時間后，陰極共產生5.6L H2(已換算成標況下體積)。則電解后溶液在室溫下pH為（　 ） 　　A．8　　

17、　　B．10　　 　　C．12　　 　　D．14 　　[分析] 　　電解該溶液實質為電解飽和食鹽水，最終溶液的堿性為原有NaOH和電解生成的NaOH共同造成的。 　　原先溶液的pH=10，所以原溶液的H+濃度c(H+)=1.0×10-10mol/L；則c(OH－)= =1×10-4（mol/L），原有NaOH的物質的量n(NaOH)=0.50L×1×10-4mol/L=5.0×10-5mol。 　　由于電解飽和氯化鈉溶液所生成的NaOH的物質的量可以根據(jù)電解方程式計算求得，即： 　　2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑ 　　　　　　　　　　　2mol　　

18、　22.4L 　　　　　　　　　　　n(NaOH)　　5.6L 　　n(NaOH)= =0.50mol 　　所以溶液中NaOH總的物質的量應該為0.50mol+5.0×10-5mol≈0.50mol，則最后所得NaOH溶液的物質的量濃度應為c(NaOH)==1.0mol/L，則c(OH－)=1.0mol/L，c(H+)==1×10-14（mol/L）， 　　則pH=－lg｛c(H+)｝=－lg1×10-14=14。 　　答案：D 　　例5．氯堿廠電解飽和食鹽水制取NaOH的工藝流程示意圖如下圖所示。依據(jù)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

19、所發(fā)生反應的化學方程式為________，與電源負極相連的電極附近，溶液pH_______。（選填“不變”、“升高”、或“下降”） 　　(2)工業(yè)食鹽含Ca2+、Mg2+等雜質。精制過程發(fā)生反應的離子方程式為___________，__________。 　　(3)如果粗鹽中SO42—含量較高，必須添加鋇試劑除去SO42—，該鋇試劑可以是______。 　　A．Ba(OH)2　 　　B．Ba(NO3)2　 　　C．BaCl2 　　(4)為有效除去Ca2+、Mg2+、SO42—，加入試劑的合理順序為______。 　　A．先加NaOH，后加Na2CO3，再加鋇試劑

20、 　　B．先加NaOH，后加鋇試劑，再加Na2CO3 　　C．先加鋇試劑，后加NaOH，再加Na2CO3 　　(5)脫鹽工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差異，通過______、冷卻、______(填寫操作名稱)除去NaCl。 　　(6)在隔膜法電解食鹽水時，電解槽分隔為陽極區(qū)和陰極區(qū)，防止Cl2與NaOH反應；采用無隔膜電解冷的食鹽水時，Cl2與NaOH充分接觸，產物僅是NaClO和H2，相應的化學方程式為______。 　　解析： 　　電解NaCl溶液時，在與電源正極相連的電極上(陽極)，Cl—失去電子生成Cl2：2Cl——2e—=Cl2↑；在與電源負極相連的電

21、極(陰極)發(fā)生的反應為2H++2e—=H2↑，消耗H+，產生OH—，所以附近的pH上升。 　　工業(yè)食鹽中含有較多的Ca2+、Mg2+雜質，可以用試劑NaOH、Na2CO3除去，所以離子反應式為Ca2++CO32—＝CaCO3↓，Mg2++2OH—=Mg(OH)2↓，如果含有SO42—，則可加Ba2+形成BaSO4白色沉淀。由于不能引進其他陰離子，所以鋇試劑只能用BaCl2或Ba(OH)2。為了有效除去Mg2+、Ca2+和SO42—，必須先加鋇試劑或NaOH，最后加入Na2CO3溶液，如果先加入Na2CO3溶液，后加BaCl2或Ba(OH)2，則多余Ba2+無法除去。 　　經過一段時

22、間的電解，NaCl溶液濃度在下降，NaOH溶液濃度在上升。當NaOH溶液質量分數(shù)變成10％，NaCl溶液質量分數(shù)變成16％時，停止電解，電解液加熱蒸發(fā)，由于NaOH的溶解度大于NaCl，冷卻后經過濾可得NaCl固體，NaCl可循環(huán)使用。 　　若在電解過程中，不使用隔膜，則在陽極區(qū)生成的氯氣與陰極區(qū)生成的NaOH溶液混合，發(fā)生反應，其反應式為Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。連同電解時發(fā)生的反應，兩步反應可合并成。 　　答案： 　　(1)2Cl-—2e-＝Cl2↑　 升高 　　(2)Ca2++CO32—=CaCO3↓，Mg2++2OH—=Mg(OH)2↓ 　　(

23、3)A　 C 　　(4)B　 C 　　(5)蒸發(fā)　 過濾 　　(6) 　　　　Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O 　　例6．Fe(OH)2為白色絮狀物、易被空氣氣中O2氧化。在設計制取Fe(OH)2時，要注意防止它被氧化。請你根據(jù)所提供的實驗用品，設計制取較純凈的Fe(OH)2的方法，完成下列填空。 　　實驗用品除圖4—8中所示外，還有玻璃棒、藥匙、普通漏斗及濾紙、滴管、試管、酒精燈、石棉網(其他固定用品略)、小鐵棒、石墨棒、久置綠礬、NaOH溶液、久置蒸餾水、苯、CCl4、無水乙醇等。 　　方法1　 隔絕空氣的復分解反應法。(完成填空) 　?、賹

24、aOH溶液煮沸并冷卻后待用。 　?、谂渲萍僃eSO4溶液的方法：_________________________。 　?、壑戚^純的Fe(OH)2沉淀的方法：_________________________。 　　方法2　 還原性氣氛中復分解反應法。 　　如圖4—8為Fe(OH)2制備實驗的改進裝置。 　　請回答： 　　①如何操作才能較長時間觀察到白色絮狀沉淀? 　?、跒楹文茉谳^長時間內觀察到Fe(OH)2白色沉淀? 　　方法3　 隔絕空氣電解法。 　　應用如圖4—9所示的電解實驗可制得白色純凈的Fe(OH)2沉淀。 　?、賏電極材料為__

25、_______，電極反應式為__________。 　　②電解液c可以是(　 ) 　　A．蒸餾水　　 B．NaOH溶液 　　C．無水乙醇　 D．Na2SO4溶液 　?、鄹鶕?jù)①與②寫出電解的化學方程式___________。 　　④液體d為_______，其作用為_______。 　?、莓旊娊庖欢螘r間看到白色沉淀后，再反接電源，除了電極上看到氣泡外，混合物中另一明顯現(xiàn)象為_______。 　　解析： 　　方法1　 　?、谟盟幊兹∵m量綠礬于潔凈的小燒杯中、然后加入適量煮沸過的蒸餾水和少量稀硫酸，同時加入適量鐵粉、用玻璃棒充分攪拌。過濾后將濾液轉移于細口試劑瓶

26、備用； 　?、廴∵m量新配制的FeSO4溶液于試管中，然后加入1mL苯，再將吸有上述NaOH溶液的滴管伸入FeSO4溶液內、逐滴滴入NaOH溶液，在苯層下有白色的Fe(OH)2沉淀生成。 　　方法2 　?、傺b入藥品后，先打開鐵夾、H2通過導管進入試管B，把溶液中及溶液上方的空氣都由試管B的支管排出，從試管B的支管收集H2并驗純后，夾住鐵夾，產生的H2的壓強將含F(xiàn)e2+的溶液由A壓入B的NaOH溶液中，產生白色的Fe(OH)2沉淀； 　　②因為Fe(OH)2是在H2的還原性氣氛中產生的。 　　方法3 　?、傩¤F棒，F(xiàn)e—2e—=Fe2+； 　?、贐D； 　?、?　 　?、鼙剑艚^空氣，防止Fe(OH)2被氧化； 　?、莅咨恋硌杆僮?yōu)榛揖G色。最終變成紅褐色沉淀。 　　提示： 　　以鐵做陽極、石墨做陰極電解NaOH或Na2SO4溶液時，電解方程式為： 　　Fe+2H2OH2↑+Fe(OH)2↓　 在陰極（石墨）處生成白色沉淀 　　當反接電源后，鐵做陰極被保護，電解方程式為： 　　2H2O2H2↑+O2↑　 在陽極（石墨）處生成O2，把上一步生成的Fe(OH)2氧化生成紅褐色的Fe(OH)3，方程式如下：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3