2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第二單元化學(xué)與資源開發(fā)利用課題2海水的綜合利用學(xué)案新人教版選修2

PAGE9-課題2海水的綜合利用1．了解海水中鹽的開發(fā)和利用，駕馭電解飽和食鹽水的反應(yīng)，了解離子交換膜法制堿技術(shù)的原理。2．了解海水提鎂、提溴的主要方法步驟和原理。3．了解海水提取重水的常用方法。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第20頁一、海水中鹽的開發(fā)和利用1．鹽的種類海水中含有多種鹽類，以氯化鈉為最多，約占海水中鹽類總量的80%，還含有氯化鎂、硫酸鈣等。2．海水制鹽(1)海水制鹽的方法有三種，即蒸發(fā)法、電滲析法和冷凍法。(2)目前，海水制鹽的方法仍以蒸發(fā)法(鹽田法)為主。海水蒸發(fā)濃縮，達(dá)到飽和析出食鹽晶體，分別后所得到的母液叫苦鹵?？帑u的主要成分是氯化鉀、氯化鎂等。(3)海水曬鹽的流程可表示為：3．食鹽資源的利用(1)氯堿工業(yè)的原理氯堿工業(yè)就是以食鹽為原料制取NaOH、Cl2和H2，再進(jìn)一步生產(chǎn)一系列的化工產(chǎn)品。電解飽和食鹽水時(shí)陽極反應(yīng)式2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極反應(yīng)式2H＋＋2e－=H2↑，電解飽和食鹽水的化學(xué)方程式是2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。(2)氯堿生產(chǎn)的基本裝置①氯堿工業(yè)完成電解反應(yīng)的主體設(shè)備是電解槽。比較先進(jìn)的電解制堿技術(shù)是離子交換膜法。②離子交換膜電解槽是由多個(gè)單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成的，每個(gè)單元槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成。如下圖所示：陽極：金屬鈦網(wǎng)(涂鈦釕氧化物)陰極：碳鋼網(wǎng)(有鎳涂層)陽離子交換膜：只允許陽離子通過，把電解槽隔成陰極室和陽極室。防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，避開Cl2與NaOH溶液反應(yīng)生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。二、海水提溴1．原理從海水中提取的溴約占世界溴年產(chǎn)量的1/3。常用的方法叫空氣吹出法，反應(yīng)原理為Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2。2．提取過程(1)氯化：氯氣置換溴離子之前，要使海水酸化，使pH＝3.5，用氯氣置換溴離子的反應(yīng)為：Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2。(2)吹出：當(dāng)Br－被氧化成Br2后，用空氣將其吹出，也可用水蒸氣，使溴和水蒸氣一起蒸出。(3)汲?。嚎諝獯党龅匿搴痛罅康目諝饣旌喜灰追謩e，常用二氧化硫做還原劑回收溴，再用氯氣將其氧化得到溴產(chǎn)品，有關(guān)化學(xué)方程式是：Br2＋SO2＋2H2O=2HBr＋H2SO4、Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2。三、海水提鎂1．原理海水提鎂的基本反應(yīng)原理可表示如下圖：(1)所加試劑：①石灰乳，③鹽酸。(2)所用操作方法：②過濾，④濃縮，⑤電解。2．過程從海水中提取鎂的過程如上述原理圖所示，用離子方程式或化學(xué)方程式表示海水提鎂的過程為：①M(fèi)g2＋＋2OH－=Mg(OH)2↓，③Mg(OH)2＋2H＋=Mg2＋＋2H2O，⑤MgCl2eq\o(=,\s\up7(電解))Mg＋Cl2↑。四、從海水中提取重水提取重水的方法有蒸餾法、電解法、化學(xué)交換法和吸附法等，其中常用的一種是硫化氫—水雙溫交換法，交換按下列反應(yīng)進(jìn)行：H2O(l)＋HDS(g)HDO(l)＋H2S(g)。重水D2O可作原子反應(yīng)堆的中子減速劑和傳熱介質(zhì)(重水堆)。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第21頁要點(diǎn)一食鹽資源的利用——氯堿工業(yè)1．電解飽和食鹽水原理(1)電解食鹽水試驗(yàn)裝置(如圖所示)(2)原理：氯化鈉溶液中存在著Na＋、Cl－、OH－、H＋四種離子，通直流電后，Cl－、OH－向陽極移動且Cl－比OH－優(yōu)先失電子放電，Na＋、H＋向陰極移動且H＋比Na＋優(yōu)先得電子放電。陽極反應(yīng)式：2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極反應(yīng)式：2H＋＋2e－=H2↑，電解飽和食鹽水的反應(yīng)式是2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。2．離子交換膜法制燒堿(1)離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程如下圖所示：離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程(2)離子交換膜法電解原理精制的飽和食鹽水進(jìn)入陽極室，加入NaOH的純水進(jìn)入陰極室，通電時(shí)，水在陰極表面放電生成H2，Na＋穿過離子交換膜由陽極室進(jìn)入陰極室，導(dǎo)出的陰極液中含NaOH，Cl－則在陽極表面放電生成Cl2，電解后的淡鹽水從陽極導(dǎo)出。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。(3)優(yōu)點(diǎn)：離子交換膜法制堿技術(shù)具有設(shè)備占地面積小、能連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)實(shí)力大、產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)電流波動、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，是氯堿工業(yè)的發(fā)展方向。3．電解產(chǎn)品及其他化工產(chǎn)品(1)電解食鹽水后的產(chǎn)物NaOH、Cl2、H2可用來制其他化工產(chǎn)品。如：①2NaOH＋CO2=Na2CO3＋H2O(制純堿)②H2＋Cl2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))2HCl(制鹽酸)③2NaOH＋Cl2=NaClO＋NaCl＋H2O(制漂白劑)(2)氯堿工業(yè)的有關(guān)化工產(chǎn)品及應(yīng)用[例1](1)在電解食鹽水的過程中，與電源正極相連的電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為________________，與電源負(fù)極相連的電極旁邊，溶液的pH________(填“不變”“上升”或“降低”)。(2)工業(yè)食鹽含Ca2＋、Mg2＋等雜質(zhì)，精制過程發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________________________________________________________________________。(3)假如粗鹽中SOeq\o\al(2－,4)含量較高，必需添加鋇試劑除去SOeq\o\al(2－,4)，該鋇試劑可以是________。A．Ba(OH)2B．Ba(NO3)2C．BaCl(4)為有效地除去Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)，加入試劑的合理依次為________。A．先加入NaOH，后加入Na2CO3，再加鋇試劑B．先加NaOH，后加鋇試劑，再加入Na2CO3C．先加鋇試劑，后加NaOH，再加入Na2CO3(5)脫鹽工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差異，通過________、冷卻、________除去NaCl。(填寫操作名稱)(6)在隔膜法電解食鹽水時(shí)，電解槽分隔為陽極區(qū)和陰極區(qū)，以防止Cl2和NaOH反應(yīng)。采納無隔膜法電解冷的食鹽水時(shí)，Cl2和NaOH充分接觸，產(chǎn)物僅是NaClO和H2，相應(yīng)的化學(xué)方程式為______________________________________________________。[解析]本題綜合性較強(qiáng)，既考查了電解原理的學(xué)問，又考查了粗鹽提純的學(xué)問，還涉及化學(xué)試驗(yàn)基本操作的技能，但問題均不是很難。首先依據(jù)電解飽和食鹽水的原理易知，與電源正極相連的是電解池中的陽極上發(fā)生的反應(yīng)：2Cl－－2e－=Cl2↑；而與負(fù)極相連的電極是陰極，發(fā)生的反應(yīng)是：2H＋＋2e－=H2↑，H＋的放電導(dǎo)致水的電離平衡被打破，使該區(qū)域的c(OH－)>c(H＋)而呈堿性，故pH上升。食鹽水精制過程中遵循的一般思路是將雜質(zhì)離子轉(zhuǎn)化為沉淀或氣體而除去，但應(yīng)特殊留意的是Mg2＋應(yīng)以Mg(OH)2沉淀的形式除去而不是以MgCO3的形式除去，因而Ca2＋、Mg2＋的沉淀劑應(yīng)分別為Na2CO3和NaOH?？紤]到除雜不要引入新雜質(zhì)，若無法避開而引入了新雜質(zhì)，也應(yīng)當(dāng)能在后續(xù)操作中簡單除去，如上述Na2CO3的運(yùn)用，可在后面的操作中用稀鹽酸調(diào)整溶液pH除去多余的Na2CO3。因此第(3)問中相宜的鋇試劑可選擇Ba(OH)2或BaCl2，二者所含陰離子對于食鹽水來說并非雜質(zhì)。第(4)問考查中對于除雜試劑的加入依次的支配，由上例可知只需保證Na2CO3的加入在鋇試劑加入之后即可，因而B、C均正確。第(5)問中要充分挖掘習(xí)題中信息：“NaOH和NaCl在溶解度上的差異”，以及框圖中的信息：“脫鹽后得NaCl晶體和溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的NaOH溶液”，易知最終一步操作為分別固體和液體混合物的方法——過濾。而由NaOH溶液的濃度由10%上升到50%可知，冷卻前的操作為蒸發(fā)。第(6)問中則考查了Cl2與NaOH反應(yīng)的學(xué)問，已知Cl2＋2NaOH=NaCl＋NaClO＋H2O，而NaCl又可接著電解生成Cl2、H2和NaOH，故最終反應(yīng)方程式為NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))NaClO＋H2↑。[答案](1)2Cl－－2e－=Cl2↑上升(2)Ca2＋＋COeq\o\al(2－,3)=CaCO3↓，Mg2＋＋2OH－=Mg(OH)2↓(3)AC(4)BC(5)蒸發(fā)過濾(6)NaCl＋H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))NaClO＋H2↑1．下列關(guān)于離子膜電解槽電解飽和食鹽水的敘述不正確的是()A．精制飽和食鹽水注入陽極室B．Cl－和OH－透過陽離子膜進(jìn)入陽極室C．陰極區(qū)溶液使酚酞試液顯紅色D．陽極產(chǎn)生使潮濕的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)的氣體解析：明確離子交換膜的功能是只允許陽離子和水分子通過而不允許陰離子通過，因此Cl－和OH－不能透過陽離子交換膜。答案：B要點(diǎn)二海水提溴和提鎂1．海水提溴(1)提溴原理從海水中提取溴的方法之一是：通入氯氣把溴化物氧化，然后用空氣把生成的溴吹出，用Na2CO3溶液汲取生成的溴，生成NaBr、NaBrO3和CO2，再加H2SO4使溴析出，這樣得到的溴中可能含有少量的氯氣，這些氯氣可加FeBr3除去。上述反應(yīng)的化學(xué)方程式分別為：Cl2＋2NaBr=2NaCl＋Br23Br2＋3Na2CO3=5NaBr＋NaBrO3＋3CO2↑5NaBr＋NaBrO3＋3H2SO4=3Br2＋3Na2SO4＋3H2O2FeBr3＋3Cl2=2FeCl3＋3Br2(2)工藝流程2．海水提鎂(1)提鎂原理鎂是活潑的金屬，不宜用熱還原法制取，一般采納電解熔融MgCl2的方法。MgCl2主要存在于海水和光鹵石中，所以制取MgCl2的途徑是在海水或光鹵中加入熟石灰，使Mg(OH)2析出：MgCl2＋Ca(OH)2=Mg(OH)2↓＋CaCl2，再用鹽酸溶解Mg(OH)2，然后將溶液濃縮，得到MgCl2晶體，將晶體在HCl中加熱除去結(jié)晶水，即得無水MgCl2，然后電解熔融的MgCl2：MgCl2eq\o(=,\s\up7(電解))Mg＋Cl2↑，就可得到金屬鎂。(2)工藝流程(3)工業(yè)生產(chǎn)中平衡原理的應(yīng)用①沉淀溶解平衡原理的應(yīng)用A．向海水中加入沉淀劑Ca(OH)2，由于c(OH－)增大，Mg(OH)2的溶解度小于Ca(OH)2，則最大程度地將Mg2＋轉(zhuǎn)化為Mg(OH)2沉淀。B．向Mg(OH)2沉淀中加入鹽酸，使沉淀溶解平衡右移，Mg(OH)2溶解。②水解平衡原理的應(yīng)用在MgCl2·6H2O脫水變?yōu)镸gCl2時(shí)，由于MgCl2＋2H2OMg(OH)2＋2HCl水解平衡的存在，供應(yīng)HCl氣體環(huán)境，增大c(HCl)，抑制了MgCl2的水解，避開了Mg(OH)2的生成。[例2]以鹵水為原料，用下列方法制取鎂，其中可行的是()A．干脆電解鹵水在陰極得鎂B．向鹵水里加鈉可置換出鎂C．鹵水與石灰水混合，過濾，洗滌，取沉淀煅燒得氧化鎂，用氫氣還原氧化鎂得鎂D．鹵水與石灰水混合，過濾，洗滌，取沉淀加鹽酸溶解得MgCl2溶液，將溶液加熱蒸發(fā)濃縮，再冷卻結(jié)晶，晶體在氯化氫氣氛中加熱脫水得無水MgCl2。電解熔融MgCl2得鎂[解析]A項(xiàng)電解，陰極生成H2；B項(xiàng)中Na首先與水反應(yīng)，不能置換出Mg；C項(xiàng)中H2不能把Mg還原出來；所以只有D合理。[答案]D2．(1)向溴化鈉溶液中通入適量氯氣，產(chǎn)生的現(xiàn)象是________________________________________________________________________________________________________________________________________________，反應(yīng)的化學(xué)方程式是________________________________________________________________________；向碘化鉀溶液中加入適量溴水，產(chǎn)生的現(xiàn)象是__________________，反應(yīng)的化學(xué)方程式是________________________________________________________________________。(2)由上述兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)可知，氯氣、溴、碘三種單質(zhì)的氧化性強(qiáng)弱關(guān)系是________________________________________________________________________；該化學(xué)反應(yīng)原理，在海水的綜合利用中的應(yīng)用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)下列海產(chǎn)品中可以考慮用于工業(yè)上大量提取碘的是________。①貝殼②紫菜③魚④海帶解析：Cl2與NaBr、Br2與KI反應(yīng)的化學(xué)方程式是①Cl2＋2NaBr=Br2＋2NaCl，②Br2＋2KI=2KBr＋I(xiàn)2，Br2、I2的水溶液分別呈橙色、深黃色。在反應(yīng)①中Cl2是氧化劑，I2是氧化產(chǎn)物，故氧化性Br2>I2。以適當(dāng)?shù)难趸瘎r－、I－氧化的化學(xué)反應(yīng)原理可以應(yīng)用于從海水中提取溴和碘。在①貝殼、②紫菜、③魚、④海帶中，紫菜和海帶中碘元素的含量較多。答案：(1)溶液由無色變?yōu)樯铧S色Cl2＋2NaBr=Br2＋2NaCl溶液由無色變?yōu)樯铧S色Br2＋2KI=2KBr＋I(xiàn)2(2)Cl2>Br2>I2從海水中提取溴和碘(3)②④授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第24頁1．下列關(guān)于氯堿工業(yè)產(chǎn)品的說法正確的是()A．產(chǎn)量越多越好B．依據(jù)用戶的需求量而定C．多產(chǎn)燒堿少產(chǎn)氯氣D．多產(chǎn)氯氣少產(chǎn)燒堿解析：工業(yè)生產(chǎn)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。答案：B2．離子膜法制燒堿示意圖如下圖所示，有關(guān)說法正確的是()A．a(chǎn)口進(jìn)水B．b口進(jìn)精制飽和食鹽水C．c口出的是Cl－，是由b口進(jìn)入的D．d口出的是H2解析：a口進(jìn)入的是精制飽和NaCl溶液；b口所進(jìn)是含少量NaOH的水；c口出的是淡鹽水；d口出的是H2。答案：D3．從海水可獲得的在常溫下為液體的單質(zhì)是()A．MgB．KC．Br2D．I2解析：本題主要考查海洋中的元素及物質(zhì)存在的狀態(tài)，海水中除含H、O兩種元素外，還含有Cl、Na、K、Ca、Mg、S、C、F、B、Br、Sr等元素，明顯可制取所要求的4種單質(zhì)，其中只有Br2單質(zhì)為液體，故本題答案為C。答案：C4．海水是鎂的主要來源之一。從海水中提取鎂可按如下步驟進(jìn)行：①把貝殼制成石灰乳；②在引入的海水中加入石灰乳，沉降、洗滌、過濾沉淀物；③將沉淀物與鹽酸反應(yīng)，結(jié)晶、過濾、干燥產(chǎn)物；④電解得到產(chǎn)物。下列關(guān)于提取鎂的說法中，不正確的是()A．此法的優(yōu)點(diǎn)之一是原料取自大海B．進(jìn)行①②③步驟的目的是富集MgCl2C．可用電解熔融氧化鎂的方法制取鎂D．電解法冶煉金屬要消耗大量的電能解析：有關(guān)反應(yīng)方程式：CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2↑，CaO＋H2O=Ca(OH)2，MgCl2＋Ca(OH)2=CaCl2＋Mg(OH)2↓，Mg(OH)2＋2HCl=MgCl2＋2H2O，MgCl2eq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5(熔融))Mg＋Cl2↑。答案：C5．全球海水中溴的儲量豐富，約占地球溴總儲量的99%，故溴有“海洋元素”之稱，海水中溴含量為65mg·L－1，其工業(yè)提取法有：(1)空氣吹