高中化學 第三章 自然界中的元素 第4節(jié) 海水中的元素學案 魯科版必修1.doc

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第4節(jié)　海水中的元素 1．海水——元素寶庫 海水中含有豐富的化學資源，含有的元素大部分以鹽的形式存在。元素周期表中的110多種元素，有80多種能在海水中找到。 海水中元素含量的差異是很大的，根據(jù)在海水中含量的多少，人們常把海水中的元素分為常量元素和微量元素。 (1)常量元素 氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、碳、鍶(Sr)、溴(Br)、硼(B)、氟(F)這11種元素在每升海水中的含量均大于1 mg，我們把每升海水中含量大于1 mg的元素，稱為常量元素，海水中的常量元素占海水所溶解物質總量的99.9%。 加碘食鹽的標志 海水中的常量元素大部分以鹽的形式存在，其中NaCl占80%以上。食鹽不僅是調味品，而且是人體必需品，還被稱為“化工之母”，大部分食鹽被用于化工生產。 (2)微量元素 在每升海水中含量低于1 mg的元素稱為海水中的微量元素。雖然這些元素的含量低，但由于海水總量很大，所以它們的總儲量也很大。重要的微量元素及其用途如下： 鋰(Li)：熱核反應的重要材料之一，也是制造鋰電池和特種合金的原料。 碘(I)：碘酒消毒，碘是人體必需元素，食鹽加碘(KIO3)，以防形成甲狀腺腫(俗稱“大脖子病”)。 鈾(U)：做熱核反應堆的原料。 (3)氯堿工業(yè) 我國有著悠久的生產食鹽的歷史，同時又是當今世界生產食鹽最多的國家。 食鹽不僅是常用的調味品，而且是人體必需的物質，它對人體的血液循環(huán)和新陳代謝都有著重要的作用。人體缺鹽會感到頭暈、倦怠、全身無力，學習和工作效率降低，長期缺鹽甚至會導致心臟病，然而過多地攝入食鹽又可能引起腎臟疾病和高血壓病等。健康成年人攝入食鹽量以每天2～6 g為宜。 食鹽還是一種重要的化工原料。如下圖所示，以飽和食鹽水為主要原料可生產出若干種重要的工業(yè)原料或產品，這樣的一類化學工業(yè)叫做氯堿工業(yè)。其中由飽和食鹽水制備氫氣、氯氣和氫氧化鈉的化學反應方程式為：2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH，離子方程式為：2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－。 氯堿工業(yè)及有關化工產品 【例1】 水資源非常重要，聯(lián)合國確定2003年為國際淡水年。下列關于水的說法中錯誤的是(　　) A．蒸餾法是海水淡化的方法之一 B．淡水的密度小于海水的密度 C．融化的雪水中礦物質含量比深井水中的少 D．氯堿工業(yè)就是獲得食鹽 解析：淡水的密度小于海水的密度，因為海水中含有NaCl、MgCl2等鹽；雪水是軟水，而深井中的水是硬水，一般含有Ca2＋、Mg2＋等；氯堿工業(yè)是以食鹽為主要原料生產工業(yè)產品的一類行業(yè)，所以D錯。 答案：D 2.鎂和海水提鎂 (1)海水提鎂 海水提鎂最基本的方法就是往海水里加堿，得到Mg(OH)2沉淀，將沉淀過濾分離再加入鹽酸把它變成MgCl2之后，經濃縮、干燥、電解，就可得到金屬鎂。 海水提鎂的工業(yè)流程如下圖所示： 海水中提鎂的主要過程及反應為： ①分解貝殼生產Ca(OH)2： CaCO3CaO＋CO2↑，CaO＋H2O===Ca(OH)2。 ②沉淀Mg2＋：Mg2＋＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋Ca2＋。 ③制備MgCl2：Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O。 ④制取Mg：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。 析規(guī)律 化工生產中的注意事項：對于化學工業(yè)生產，要提高經濟效益，應考慮以下幾個方面：①原料是否豐富、廉價。②盡可能采取循環(huán)利用部分產物或原料。③工業(yè)流程設計是否科學、合理。④是否符合環(huán)保要求。⑤選廠址時還要考慮原料、能源、運輸?shù)确矫妗? 【例2－1】 海水的綜合利用可以制備金屬鎂，請回答下列問題： (1)海水提鎂要用到海灘上的貝殼。貝殼的作用是________________________________ __________________________________________________________________________， 貝殼所經歷的變化的化學方程式為____________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)Mg(OH)2沉淀中混有的Ca(OH)2應怎樣除去？請寫出實驗步驟：______________ __________________________________________________________________________。 解析：以海水為原料制備金屬鎂的流程為：海水→Mg(OH)2→MgCl2→Mg。 答案：(1)提供反應所需的堿　CaCO3CaO＋CO2↑，CaO＋H2O===Ca(OH)2 (2)加入MgCl2溶液，充分攪拌，過濾，用水洗滌沉淀 (2)鎂的性質 ①鎂的物理性質：鎂是一種銀白色金屬，密度小，熔點低，硬度小，有良好的導電性、導熱性和延展性，與其他金屬易構成性能優(yōu)良的合金。 ②鎂的化學性質 鎂原子的最外層有2個電子，在發(fā)生化學反應時，非常容易失去電子，體現(xiàn)出較強的還原性?？梢耘c非金屬單質、酸、鹽以及某些氧化物反應。 a．鎂與非金屬單質的反應 實驗步驟：取一根鎂條，用砂紙擦掉表面的氧化膜，用坩堝鉗夾住鎂條，點燃觀察現(xiàn)象。 實驗現(xiàn)象：反應劇烈，發(fā)出耀眼的白光，生成白色固體。 實驗結論：2Mg＋O22MgO(放熱反應) 鎂除了可以與O2反應外，還可以與Cl2、N2等發(fā)生反應，化學方程式為： Mg＋Cl2MgCl2　3Mg＋N2Mg3N2 說明：鎂是活潑金屬，易被氧化，但卻具有抗腐蝕性，因為常溫下，鎂易與空氣中的氧氣反應，在其表面生成一層致密的氧化膜，阻止內部的金屬繼續(xù)反應。 b．鎂與酸的反應 與非氧化性酸反應，產生H2： Mg＋2HCl===MgCl2＋H2↑ Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑ 與氧化性酸反應，一般不產生H2： Mg＋2H2SO4(濃)===MgSO4＋SO2↑＋2H2O 3Mg＋8HNO3(稀)===3Mg(NO3)2＋2NO↑＋4H2O c．鎂與某些鹽溶液的反應 金屬鎂是一種活潑金屬，可以把金屬活動順序表中鎂后面的金屬從其鹽溶液中置換出來。 Mg＋CuSO4===MgSO4＋Cu d．鎂與非金屬氧化物反應 實驗步驟：取一根鎂條，用砂紙擦掉表面的氧化膜，用坩堝鉗夾住鎂條，點燃后伸入盛有CO2的集氣瓶中，如下圖所示，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 實驗現(xiàn)象：鎂在二氧化碳中繼續(xù)燃燒，生成白色固體和黑色固體。 實驗結論：2Mg＋CO22MgO＋C 鎂與二氧化碳的反應是典型的置換反應，鎂作還原劑，二氧化碳作氧化劑。 由于鎂單質在加熱的條件下，與二氧化碳發(fā)生劇烈的反應，所以鎂單質在空氣中失火后，不能用泡沫滅火器來滅火。 CO2與滅火：CO2對絕大多數(shù)可燃物是良好的滅火劑，而對K、Na、Ca、Mg等可燃物卻是助燃劑。 (3)鎂的用途 鎂是一種輕金屬，它的主要用途是制造合金，鎂合金的強度高、機械性能好。鎂和鋁制成的合金可克服純鎂和純鋁的硬度、強度較低，不適于制造機械零件的缺點。例如含有硅、銅、鋅、錳等元素的鎂鋁合金具有質輕、堅韌、機械性能好等許多優(yōu)良性質，用途極為廣泛?？捎脕碜鰴C械零件、車床材料、門窗等。鎂的這些性質使金屬鎂成為制造汽車、飛機、火箭的重要材料，從而獲得“國防金屬”的美譽。在冶金工業(yè)上，金屬鎂常用作還原劑和脫氧劑。 【例2－2】 鎂粉在焰火、閃光粉、鞭炮中是不可缺少的原料。工業(yè)制造鎂粉是將鎂蒸氣在某氣體中冷卻，下列可作為冷卻氣體的是(　　) ①空氣?、贑O2?、跘r　④H2?、軳2 A．①和② B．②和③ C．③和④ D．④和⑤ 解析：本題主要考查了鎂的性質。鎂蒸氣在某氣體中冷卻，則該氣體必須在高溫下不與鎂發(fā)生化學反應，高溫下氧氣、氮氣、二氧化碳都能與鎂發(fā)生化學反應，故正確答案為C。 答案：C 3.溴和海水提溴 (1)溴單質和碘單質的物理性質 氯、溴和碘等元素在原子結構和元素性質方面具有一定的相似性，化學上常把它們放在一起研究。氯、溴和碘這三種元素都屬于鹵族元素(簡稱鹵素)，它們在元素周期表中排在同一縱行。 [實驗1] 實驗探究：溴單質和碘單質的物理性質。 實驗目的：了解Br2和I2在物理性質上的異同。 實驗步驟：觀察溴單質和碘單質的狀態(tài)、顏色；取少量溴單質和碘單質，分別觀察它們在水、酒精及四氯化碳中的溶解情況和所形成溶液的顏色。 實驗記錄：見下表 物質 溴(Br2) 碘(I2) 顏色 深紅棕色 紫黑色(有金屬光澤) 狀態(tài) 液體 固體 溶解性和溶液顏色 水中 可溶；橙色 微溶；褐色 酒精中 易溶；橙紅色 易溶；紫紅色 四氯化碳中 易溶：橙紅色 易溶；紫紅色 小結：①鹵素單質都有顏色，都有毒性，在水中的溶解度都不大，易溶于苯、四氯化碳(CCl4)、汽油等有機溶劑。②鹵素單質在常溫下的狀態(tài)從氣態(tài)到液態(tài)到固體，單質的熔、沸點逐漸升高。 [實驗2] 實驗目的：探究碘在加熱時的變化。 實驗步驟：如下圖所示，取少量碘單質，放入燒杯中，將盛有冷水的圓底燒瓶置于燒杯上方。加熱燒杯，觀察現(xiàn)象。 實驗現(xiàn)象：紫黑色的固體直接變成了紫紅色的蒸氣，在燒瓶底部又有紫黑色的固體附著。 實驗結論：固態(tài)碘在加熱的條件下可直接由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，即碘容易升華。 (2)萃?。豪萌苜|在互不相溶的溶劑中溶解性的不同，用一種溶劑把溶質從它與另一種溶劑所組成的溶液中提取出來的方法，叫萃取。 實驗探究：從溴水和碘水中萃取溴和碘。 實驗步驟：①檢查分液漏斗是否漏水。②關閉分液漏斗活塞，將溴水(約5 mL)倒入其中，再加入約3 mL CCl4，蓋好分液漏斗的玻璃塞。③用左手輕輕壓住玻璃塞，右手握住活塞處，然后倒轉漏斗，用力振蕩搖勻，并不時旋開活塞放氣。④將分液漏斗垂直放在鐵架臺的鐵圈上，如圖所示。⑤將漏斗上口的玻璃塞打開，靜置，觀察現(xiàn)象。⑥打開分液漏斗的活塞，用錐形瓶接收下層液體。⑦從分液漏斗上口倒出上層液體。⑧用碘水代替溴水，重復以上操作。 實驗現(xiàn)象：混合液體靜置分層，上層都近乎無色，萃取溴時，下層呈橙紅色，萃取碘時，下層呈紫紅色。 實驗結論：利用溴和碘在水和有機溶劑中溶解性的不同可用CCl4將溴水中的溴或碘水中的碘萃取出來。 談重點 萃取與分液：①萃取劑必須符合三個條件：萃取劑與原溶劑互不相溶，萃取劑與原溶液不發(fā)生反應；溶質在萃取劑中的溶解性比在原溶劑中的溶解性大。②萃取常在分液漏斗中進行，分液是萃取操作中的一個步驟，分液常用于將兩種互不相溶的液體分開。③分液時，打開分液漏斗的活塞，將下層液體從下口放出，當下層液體剛好放完時要立即關閉活塞，將上層液體從分液漏斗上口倒出。 (3)氯、溴和碘單質的氧化性強弱比較 氧化還原反應發(fā)生：氧化劑A＋還原劑B―→還原產物C＋氧化產物D，則氧化性：A＞D，實驗室中可以利用該原理比較不同物質的氧化性強弱。 實驗步驟和實驗記錄： 實驗步驟 實驗現(xiàn)象 實驗結論或化學方程式 氯水＋NaBr溶液 氯水滴入NaBr溶液中， 溶液變黃色 2NaBr＋Cl2===2NaCl＋Br2 (2Br－＋Cl2===2Cl－＋Br2) 氯水＋KI溶液 氯水滴入KI溶液中，溶液變?yōu)樯铧S色 2KI＋Cl2===2KCl＋I2 (2I－＋Cl2===2Cl－＋I2) 溴水＋NaCl溶液 無明顯現(xiàn)象 不反應 溴水＋KI溶液 溴水滴入KI溶液中，溶液變?yōu)樯铧S色 2KI＋Br2===2KBr＋I2 (2I－＋Br2===2Br－＋I2) 碘水＋NaCl溶液 無明顯現(xiàn)象 不反應 碘水＋NaBr溶液 無明顯現(xiàn)象 不反應 通過實驗可以看出氧化性：Cl2＞Br2＞I2。 這是因為氯原子有三個電子層，溴原子有四個電子層，碘原子有五個電子層，隨著電子層數(shù)的增加，原子得到電子的能力越來越小，表現(xiàn)為單質的氧化性越來越弱。 (4)溴的提取與用途 ①溴的提取 溴單質的氧化性介于氯和碘單質的氧化性之間，因此，在海水提溴的化工生產中可以選用氯氣作氧化劑。從海水中提取溴，一般要經歷濃縮、氧化和提取三個步驟。 a．濃縮：海水中Br－的含量一般為0.067 gL－1，而苦鹵(海水曬鹽后得到的母液)中Br－的含量大得多，可做提取溴的原料。在工業(yè)上，海水提溴可以和海水曬鹽聯(lián)合進行。 b．氧化：將Br－轉化為Br2需要加氧化劑，一般用氯氣做氧化劑。 Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2 c．提?。和ㄟ^上述反應，生成的溴單質依然溶解在苦鹵中，利用溴的揮發(fā)性，鼓入熱空氣或水蒸氣，就可將溴分離出來。 工藝流程如下圖所示： ②溴的用途 【例3】 向NaI和NaBr的混合溶液中通入過量的Cl2，充分反應后將溶液蒸干，灼燒殘余物，最后剩下的物質是(　　) A．NaCl、I2、Cl2 B．NaCl、I2 C．NaCl、NaBr D．NaCl 解析：鹵素單質的氧化能力Cl2＞Br2＞I2，因而將過量的Cl2通入NaI和NaBr溶液中時，NaI和NaBr均能完全反應生成NaCl、I2和Br2，又因為Br2易揮發(fā)，I2易升華，因此將溶液蒸干、灼燒后就只剩下NaCl。 答案：D 過量Cl2通入NaBr、NaI溶液再加熱蒸干，最后只剩NaCl。若少量Cl2通入NaI、NaBr溶液再加熱蒸干，最后的固體物質可能是：NaCl、NaBr或NaCl、NaBr、NaI。 4．粗鹽的精制 粗鹽中常含有Ca2＋、Mg2＋、SO等雜質，應設法將這些雜質除去，除雜步驟一般如下： (1)加過量BaCl2溶液，除去SO。 (2)加過量NaOH溶液，除去Mg2＋。 (3)加過量Na2CO3溶液，除去Ba2＋、Ca2＋，過濾。 (4)向濾液中加入稀鹽酸至溶液呈中性，除去CO和OH－。 析規(guī)律 提純和分離物質的“四原則”、“三必須”： (1)“四原則”是：不增(提純過程中不增加新的雜質)；不減(不減少被提純的物質)；易分離(被提純物質與雜質易分離)；易復原(被提純物質要容易復原)。 (2)“三必須”是：除雜試劑必須過量；過量試劑必須除盡(不能因為試劑過量帶入新雜質)；除雜途徑選最佳。 【例4】 為了除去粗鹽中Ca2＋、Mg2＋、SO及泥沙，可將粗鹽溶于水，然后進行下列五項操作。其中正確的操作順序是(　　) ①過濾?、诩舆^量的NaOH溶液?、奂舆m量鹽酸?、芗舆^量Na2CO3溶液?、菁舆^量BaCl2溶液 A．①④②⑤③　　　　　　　 B．④①②⑤③ C．②⑤④①③ D．⑤②④①③ 解析：了解了各個實驗步驟的目的，才能分清操作順序。Ca2＋、Mg2＋、SO均可轉化為不同的沉淀物質而除去。這里需要考慮兩個問題。一是選用哪種試劑可使某離子沉淀最完全。如除去Mg2＋，可選CO，也可選OH－作沉淀劑，兩者比較，選OH－較好。二是保證雜質離子除盡，所加試劑應過量。這樣就出現(xiàn)除去了某離子，又帶進了新的雜質的問題，所以在后續(xù)操作中還必須考慮除去前面操作中由于加入了過量試劑留下的雜質。如加過量的BaCl2溶液來除去SO以后，帶入的Ba2＋將和Ca2＋一起用Na2CO3溶液除去，過量的OH－和CO必須通過加適量的鹽酸來除去。考慮到這一點，就可確定操作⑤必須在操作④之前，操作②和操作④必須在操作③之前，過濾操作必須在加入適量鹽酸之前進行。 答案：CD 5.鹵素單質的氧化性和鹵素陰離子X－的還原性 氧化性：F2＞Cl2＞Br2＞I2 還原性：I－＞Br－＞Cl－＞F－ (1)氧化性強的氧化劑與還原性強的還原劑能發(fā)生氧化還原反應，生成氧化性弱的氧化產物和還原性弱的還原產物，反之，則不能發(fā)生反應。這既是判斷氧化還原反應能否發(fā)生的依據(jù)，又是比較氧化性、還原性強弱的基本方法。例如F2的氧化性最強，它可將其他離子從其熔融鹽中置換出來，F(xiàn)－的還原性最弱。 (2)當同一種氧化劑與多種還原劑作用時，首先是還原性最強的還原劑被氧化，還原性最強的還原劑被全部氧化后，再按還原性由強到弱的順序依次氧化其他還原劑；當同一種還原劑與多種氧化劑作用時，首先是氧化性最強的被還原，氧化性最強的氧化劑被全部還原后，再按氧化性由強到弱的順序依次還原其他氧化劑。 【例5】 已知某溶液中Cl－、Br－、I－的物質的量之比為2∶3∶4，現(xiàn)欲使溶液中的Cl－、Br－、I－的物質的量之比改變成4∶3∶2，那么要通入Cl2的物質的量是原溶液中I－的物質的量的(　　) A.　　　　　　　　B.　 C.　　　　　 D. 解析：Cl－、Br－、I－的還原性逐漸增強，因而通入Cl2后，Cl2首先氧化I－，在I－全部被氧化后，才氧化Br－，Cl－一直不被氧化。由題意看出，I－沒有被完全氧化，說明Br－沒有被氧化，發(fā)生的反應只有Cl2＋2I－===I2＋2Cl－。設原溶液中Cl－、Br－、I－的物質的量分別為2 mol、3 mol、4 mol，則根據(jù)離子方程式Cl2＋2I－===I2＋2Cl－，可知只要通入1 mol Cl2就可使溶液中的I－由4 mol降到2 mol，而Cl－由2 mol增至4 mol，且Br－的物質的量保持不變，仍為3 mol，所以通入的Cl2與原溶液中I－的物質的量之比為1∶4。 答案：C 6．鹵素離子的檢驗方法 在中學化學中，鹵素離子的檢驗通常是指對Cl－、Br－、I－等三種陰離子的檢驗，檢驗的方法是根據(jù)其特征性反應所表現(xiàn)出來的特征性質作出鑒別。Cl－、Br－、I－等三種陰離子的特征性反應分兩種類型，一是沉淀反應，二是還原反應，下面就其在離子檢驗中的應用作簡要敘述。 (1)沉淀檢驗法 AgCl、AgBr、AgI三種鹵化銀的顏色分別為白色、淡黃色、黃色，它們都既不溶于水又不溶于酸。因此，可以用AgNO3溶液和稀硝酸作試劑檢驗Cl－、Br－、I－三種陰離子。具體方法一般是先向被檢驗的溶液里滴加AgNO3溶液，再加入足量的稀硝酸，觀察現(xiàn)象。若產生不溶于硝酸的白色沉淀，則被檢驗的溶液里含有Cl－；若產生不溶于硝酸的淡黃色沉淀，則被檢驗的溶液里含有Br－；若產生不溶于硝酸的黃色沉淀，則被檢驗的溶液里含有I－。有關化學反應的離子方程式為： Cl－＋Ag＋===AgCl↓ Br－＋Ag＋===AgBr↓ I－＋Ag＋===AgI↓ (2)還原檢驗法 Cl－、Br－、I－三種陰離子中，Br－、I－均易被Cl2氧化分別生成Br2、I2，水溶液分別顯橙色、褐色。因此，可以用氯水作試劑檢驗Br－、I－這兩種陰離子。具體方法一般是向被檢驗的溶液里滴加少量的氯水，觀察現(xiàn)象。若溶液由無色變?yōu)槌壬?，則被檢驗的溶液里含有Br－；若溶液由無色變?yōu)楹稚?，則被檢驗的溶液里含有I－。有關反應的離子方程式為：2Br－＋Cl2===Br2＋2Cl－，2I－＋Cl2===I2＋2Cl－。 【例6－1】 氣體X可能含有Cl2、HBr、CO2中的一種或幾種，已知X通入AgNO3溶液時產生淡黃色沉淀，且沉淀不溶于稀硝酸；若將X通入澄清石灰水中，卻不見沉淀產生。則對氣體X的成分，下列說法正確的是(　　) A．一定含有HBr，可能含有CO2 B．一定不含CO2 C．一定含Cl2 D．可能含有CO2、Cl2 解析：X通入AgNO3溶液中產生淡黃色沉淀，且沉淀不溶于稀硝酸，說明該沉淀是AgBr沉淀，從而證明氣體X中一定有HBr，由于Cl2和HBr不能共存(因為Cl2＋2HBr===Br2＋2HCl)，因而氣體X中一定沒有Cl2，在有HBr存在的情況下，不能確定有無CO2。 答案：A 【例6－2】 甲、乙、丙三種溶液各有一種X－(X－為Cl－、Br－或I－)，向甲中加入淀粉溶液和氯水，溶液變?yōu)槌壬?，再加丙溶液，顏色無明顯變化，則甲、乙、丙依次含有(　　) A．Br－、I－、Cl－ B．Br－、Cl－、I－ C．I－、Br－、Cl－ D．Cl－、I－、Br－ 解析：向甲中加入淀粉溶液和氯水，溶液變?yōu)槌壬瑧卿逅念伾?，則甲中必含有Br－，被Cl2置換生成了Br2，再加丙溶液，顏色無明顯變化，說明丙溶液中不含I－，否則加入I－被Br2氧化生成I2，溶液顯藍色，與題中所給的條件不符，則丙溶液只能含有Cl－，I－必在乙溶液中，因此，甲、乙、丙溶液依次含有Br－、I－、Cl－。 答案：A