2020-2021学年高中化学 新人教版选修2 第二单元化学与资源开发利用 课题2 海水的综合利用学案

课题2　海水的综合利用
1．了解海水中盐的开发和利用，掌握电解饱和食盐水的反应，了解离子交换膜法制碱技术的原理。
2．了解海水提镁、提溴的主要方法步骤和原理。
3．了解海水提取重水的常用方法。
一、海水中盐的开发和利用
1．盐的种类
海水中含有多种盐类，以氯化钠为最多，约占海水中盐类总量的80%，还含有氯化镁、硫酸钙等。
2．海水制盐
(1)海水制盐的方法有三种，即蒸发法、电渗析法和冷冻法。
(2)目前，海水制盐的方法仍以蒸发法(盐田法)为主。海水蒸发浓缩，达到饱和析出食盐晶体，分离后所得到的母液叫苦卤。苦卤的主要成分是氯化钾、氯化镁等。
(3)海水晒盐的流程可表示为：
3．食盐资源的利用
(1)氯碱工业的原理
氯碱工业就是以食盐为原料制取NaOH、Cl2和H2，再进一步生产一系列的化工产品。
电解饱和食盐水时阳极反应式2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应式2H＋＋2e－===H2↑，电解饱和食盐水的化学方程式是2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
(2)氯碱生产的基本装置
①氯碱工业完成电解反应的主体设备是电解槽。比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。
②离子交换膜电解槽是由多个单元槽串联或并联组成的，每个单元槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成。如下图所示：
阳极：金属钛网(涂钛钌氧化物)
阴极：碳钢网(有镍涂层)
阳离子交换膜：只允许阳离子通过，把电解槽隔成阴极室和阳极室。防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，避免Cl2与NaOH溶液反应生成NaClO而影响烧碱的质量。
二、海水提溴
1．原理
从海水中提取的溴约占世界溴年产量的1/3。常用的方法叫空气吹出法，反应原理为Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2。
2．提取过程
(1)氯化：氯气置换溴离子之前，要使海水酸化，使pH＝3.5，用氯气置换溴离子的反应为：Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2。
(2)吹出：当Br－被氧化成Br2后，用空气将其吹出，也可用水蒸气，使溴和水蒸气一起蒸出。
(3)吸收：空气吹出的溴和大量的空气混合不易分离，常用二氧化硫做还原剂回收溴，再用氯气将其氧化得到溴产品，有关化学方程式是：Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4、Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2。
三、海水提镁
1．原理
海水提镁的基本反应原理可表示如下图：
(1)所加试剂：①石灰乳，③盐酸。
(2)所用操作方法：②过滤，④浓缩，⑤电解。
2．过程
从海水中提取镁的过程如上述原理图所示，用离子方程式或化学方程式表示海水提镁的过程为：
①Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓，
③Mg(OH)2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，
⑤MgCl2Mg＋Cl2↑。
四、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，其中常用的一种是硫化氢—水双温交换法，交换按下列反应进行：H2O(l)＋HDS(g)??HDO(l)＋H2S(g)。重水D2O可作原子反应堆的中子减速剂和传热介质(重水堆)。
要点一　食盐资源的利用——氯碱工业
1．电解饱和食盐水原理
(1)电解食盐水实验装置(如图所示)
(2)原理：氯化钠溶液中存在着Na＋、Cl－、OH－、H＋四种离子，通直流电后，Cl－、OH－向阳极移动且Cl－比OH－优先失电子放电，Na＋、H＋向阴极移动且H＋比Na＋优先得电子放电。
阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑，
阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑，
电解饱和食盐水的反应式是2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
2．离子交换膜法制烧碱
(1)离子交换膜法电解制碱的主要生产流程如下图所示：
离子交换膜法电解制碱的主要生产流程
(2)离子交换膜法电解原理
精制的饱和食盐水进入阳极室，加入NaOH的纯水进入阴极室，通电时，水在阴极表面放电生成H2，Na＋穿过离子交换膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含NaOH，Cl－则在阳极表面放电生成Cl2，电解后的淡盐水从阳极导出。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。
(3)优点：离子交换膜法制碱技术具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业的发展方向。
3．电解产品及其他化工产品
(1)电解食盐水后的产物NaOH、Cl2、H2可用来制其他化工产品。如：
①2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O(制纯碱)
②H2＋Cl22HCl(制盐酸)
③2NaOH＋Cl2===NaClO＋NaCl＋H2O(制漂白剂)
(2)氯碱工业的有关化工产品及应用
例1.(1)在电解食盐水的过程中，与电源正极相连的电极上发生反应的电极反应式为________________，与电源负极相连的电极附近，溶液的pH________(填“不变”“升高”或“降低”)。
(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(OH)2　　
B．Ba(NO3)2　　　C．BaCl2
(4)为有效地除去Ca2＋、Mg2＋、SO，加入试剂的合理顺序为________。
A．先加入NaOH，后加入Na2CO3，再加钡试剂
B．先加NaOH，后加钡试剂，再加入Na2CO3
C．先加钡试剂，后加NaOH，再加入Na2CO3
(5)脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异，通过________、冷却、________除去NaCl。(填写操作名称)
(6)在隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，以防止Cl2和NaOH反应。采用无隔膜法电解冷的食盐水时，Cl2和NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H2，相应的化学方程式为______________________________________________________。
[解析]　本题综合性较强，既考查了电解原理的知识，又考查了粗盐提纯的知识，还涉及化学实验基本操作的技能，但问题均不是很难。首先根据电解饱和食盐水的原理易知，与电源正极相连的是电解池中的阳极上发生的反应：2Cl－－2e－===Cl2↑；而与负极相连的电极是阴极，发生的反应是：2H＋＋2e－===H2↑，H＋的放电导致水的电离平衡被打破，使该区域的c(OH－)>c(H＋)而呈碱性，故pH升高。食盐水精制过程中遵循的一般思路是将杂质离子转化为沉淀或气体而除去，但应特别注意的是Mg2＋应以Mg(OH)2沉淀的形式除去而不是以MgCO3的形式除去，因而Ca2＋、Mg2＋的沉淀剂应分别为Na2CO3和NaOH。考虑到除杂不要引入新杂质，若无法避免而引入了新杂质，也应该能在后续操作中容易除去，如上述Na2CO3的使用，可在后面的操作中用稀盐酸调整溶液pH除去多余的Na2CO3。因此第(3)问中适宜的钡试剂可选择Ba(OH)2或BaCl2，二者所含阴离子对于食盐水来说并非杂质。第(4)问考查中对于除杂试剂的加入顺序的安排，由上例可知只需保证Na2CO3的加入在钡试剂加入之后即可，因而B、C均正确。第(5)问中要充分挖掘习题中信息：“NaOH和NaCl在溶解度上的差异”，以及框图中的信息：“脱盐后得NaCl晶体和溶质的质量分数约为50%的NaOH溶液”，易知最后一步操作为分离固体和液体混合物的方法——过滤。而由NaOH溶液的浓度由10%上升到50%可知，冷却前的操作为蒸发。第(6)问中则考查了Cl2与NaOH反应的知识，已知Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，而NaCl又可继续电解生成Cl2、H2和NaOH，故最终反应方程式为NaCl＋H2ONaClO＋H2↑。
[答案]　(1)2Cl－－2e－===Cl2↑　升高
(2)Ca2＋＋CO===CaCO3↓，Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓
(3)AC　(4)BC　(5)蒸发　过滤
(6)NaCl＋H2ONaClO＋H2↑
练1．下列关于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
解析：明确离子交换膜的功能是只允许阳离子和水分子通过而不允许阴离子通过，因此Cl－和OH－不能透过阳离子交换膜。
答案：B
要点二　海水提溴和提镁
1．海水提溴
(1)提溴原理
从海水中提取溴的方法之一是：通入氯气把溴化物氧化，然后用空气把生成的溴吹出，用Na2CO3溶液吸收生成的溴，生成NaBr、NaBrO3和CO2，再加H2SO4使溴析出，这样得到的溴中可能含有少量的氯气，这些氯气可加FeBr3除去。上述反应的化学方程式分别为：
Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2
3Br2＋3Na2CO3===5NaBr＋NaBrO3＋3CO2↑
5NaBr＋NaBrO3＋3H2SO4===3Br2＋3Na2SO4＋3H2O
2FeBr3＋3Cl2===2FeCl3＋3Br2
(2)工艺流程
2．海水提镁
(1)提镁原理
镁是活泼的金属，不宜用热还原法制取，一般采用电解熔融MgCl2的方法。MgCl2主要存在于海水和光卤石中，所以制取MgCl2的途径是在海水或光卤中加入熟石灰，使Mg(OH)2析出：MgCl2＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋CaCl2，再用盐酸溶解Mg(OH)2，然后将溶液浓缩，得到MgCl2晶体，将晶体在HCl中加热除去结晶水，即得无水MgCl2，然后电解熔融的MgCl2：MgCl2Mg＋Cl2↑，就可得到金属镁。
(2)工艺流程
(3)工业生产中平衡原理的应用
①沉淀溶解平衡原理的应用
A．向海水中加入沉淀剂Ca(OH)2，由于c(OH－)增大，Mg(OH)2的溶解度小于Ca(OH)2，则最大程度地将Mg2＋转化为Mg(OH)2沉淀。
B．向Mg(OH)2沉淀中加入盐酸，使沉淀溶解平衡右移，Mg(OH)2溶解。
②水解平衡原理的应用
在MgCl2·6H2O脱水变为MgCl2时，由于MgCl2＋2H2O??Mg(OH)2＋2HCl水解平衡的存在，提供HCl气体环境，增大c(HCl)，抑制了MgCl2的水解，避免了Mg(OH)2的生成。
例2.以卤水为原料，用下列方法制取镁，其中可行的是(　　)
A．直接电解卤水在阴极得镁
B．向卤水里加钠可置换出镁
C．卤水与石灰水混合，过滤，洗涤，取沉淀煅烧得氧化镁，用氢气还原氧化镁得镁
D．卤水与石灰水混合，过滤，洗涤，取沉淀加盐酸溶解得MgCl2溶液，将溶液加热蒸发浓缩，再冷却结晶，晶体在氯化氢气氛中加热脱水得无水MgCl2。电解熔融MgCl2得镁
[解析]　A项电解，阴极生成H2；B项中Na首先与水反应，不能置换出Mg；C项中H2不能把Mg还原出来；所以只有D合理。
[答案]　D
练2．(1)向溴化钠溶液中通入适量氯气，产生的现象是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________，
反应的化学方程式是________________________________________________________________________；
向碘化钾溶液中加入适量溴水，产生的现象是__________________，反应的化学方程式是________________________________________________________________________。
(2)由上述两个化学反应可知，氯气、溴、碘三种单质的氧化性强弱关系是________________________________________________________________________；
该化学反应原理，在海水的综合利用中的应用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)下列海产品中可以考虑用于工业上大量提取碘的是________。
①贝壳　　　②紫菜　　　③鱼　　　④海带
解析：Cl2与NaBr、Br2与KI反应的化学方程式是①Cl2＋2NaBr===Br2＋2NaCl，②Br2＋2KI===2KBr＋I2，Br2、I2的水溶液分别呈橙色、深黄色。在反应①中Cl2是氧化剂，I2是氧化产物，故氧化性Br2>I2。以适当的氧化剂将Br－、I－氧化的化学反应原理可以应用于从海水中提取溴和碘。在①贝壳、②紫菜、③鱼、④海带中，紫菜和海带中碘元素的含量较多。
答案：(1)溶液由无色变为深黄色　Cl2＋2NaBr===Br2＋2NaCl　溶液由无色变为深黄色　Br2＋2KI===2KBr＋I2
(2)Cl2>Br2>I2　从海水中提取溴和碘
(3)②④
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