2024-2025学年高中化学第2单元化学与资源开发利用课题2海水的综合利用学案新人教版选修2

PAGE1-课题2海水的综合利用1．了解海水中盐的开发和利用，驾驭食盐资源的利用。2．了解海水提溴的重要步骤。一、海水中盐的开发和利用海水中含有多种盐类，以氯化钠最多，约占海水中盐类总量的80%，还含有氯化镁、硫酸钙等。eq\a\vs4\al(1.)海水制盐(1)海水制盐以蒸发法(盐田法)为主，主要原理是太阳照耀后，水分蒸发，各种盐分达到饱和浓度时，依次以固体形式析出。(2)盐田一般分为贮水池、蒸发池、结晶池三部分。(3)海水制盐要经过风吹、日晒渐渐蒸发浓缩，达到饱和后会析出食盐晶体，分别后所得的母液叫苦卤，可综合利用制得副产品氯化钾、氯化镁等。(卤水中主要含氯化镁、碘化钾、溴化钾。)eq\a\vs4\al(2.)食盐资源的利用(1)化学工业之一的氯碱工业，是以食盐为原料制取NaOH、Cl2、H2，再进一步生产其他化工产品。(2)电解饱和食盐水试验装置(3)阳极反应式2Cl－－2e－=Cl2↑，阴极反应式__2H＋＋2e－=H2↑。(4)电解饱和食盐水的总反应式是2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。二、海水提溴从海水中提取的溴约占世界溴年产量的1/3，常用的方法叫吹出法。eq\a\vs4\al(1.)氯化(1)用氯气置换溴离子的反应式为__Cl2＋2Br－=Br2＋2Cl－。(2)氯气置换溴离子之前，要使海水酸化，使pH＝3.5。eq\a\vs4\al(2.)吹出当Br－被氧化成Br2后，用空气将其吹出，也可用水蒸气与溴一起蒸出。eq\a\vs4\al(3.)汲取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的反应方程式为Br2＋SO2＋2H2O=2HBr＋H2SO4，Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2。三、海水提镁eq\a\vs4\al(1.)海水中镁的总储量约为2.1×1015t，目前世界生产的镁60%来自海水。eq\a\vs4\al(2.)工业生产中提取镁的主要方法和主要反应方程式：(1)加入石灰乳：Mg2＋＋Ca(OH)2=Mg(OH)2↓＋Ca2＋(2)加盐酸：Mg(OH)2＋2H＋=Mg2＋＋2H2O(3)电解：MgCl2eq\o(=,\s\up7(通电))Mg＋Cl2↑四、从海水中提取重水eq\a\vs4\al(1.)氢的同位素符号和名称是：eq\o\al(1,1)H氕、eq\o\al(2,1)H氘、eq\o\al(3,1)H氚。eq\a\vs4\al(2.)氘的原子核内有一个质子和一个中子，所以叫重氢，化学符号是D。重水可作原子反应堆的中子减速剂和传热介质(重水堆)。eq\a\vs4\al(3.)热核聚变指的是两个氘核在高温高压下融合成氦核，同时放出大量能量的过程。eq\a\vs4\al(4.)海水中含重水约2.0×1014t。eq\a\vs4\al(1.)下列说法不正确的()A．从海带中提取碘单质的过程涉及氧化还原反应B．往淡水中加入NaCl等配成人造海水，可用于海产品的长途运输C．赤潮主要是由工农业生产和生活废水引起沿海水域的富养分化而造成的D．海洋资源开发可获得Fe、Co、K、Au、Mg、B等金属解析：选D。D中硼(B)元素是非金属元素，因此不正确。eq\a\vs4\al(2.)很多国家非常重视海水资源的综合利用。不须要化学改变就能够从海水中获得的物质是()A．氯、溴、碘 B．钠、镁、铝C．烧碱、氢气 D．食盐、淡水解析：选D。海水中氯、溴、碘是以离子形式存在，没有单质形式，钠、镁、铝也是以离子形式存在。eq\a\vs4\al(3.)下列说法不正确的是()A．海水淡化的主要方法有蒸馏法、电渗析法B．海水中溶解的主要无机盐离子有Na＋、Mg2＋、K＋、Ca2＋、SOeq\o\al(2－,4)、Cl－、Br－等C．海水综合利用，可将海水淡化与制食盐及氯碱工业、镁工业、钾工业、溴工业等形成联合工业体D．海水淡化因能耗大，成本高，不能形成规模化生产解析：选D。A项中涉及海水淡化的几种主要方法，正确。B项中海水含有Na＋、Mg2＋、K＋、Ca2＋、SOeq\o\al(2－,4)、Cl－、Br－等，因此可以从海水中得到NaCl、MgCl2、KCl、MgSO4、CaSO4、MgBr2等物质。C项中海水淡化的同时，得到了含盐较多的卤水，为氯碱工业、镁工业、钾工业、溴工业等供应了较好的原料，可以降低成本，C项正确。D项中最初海水淡化能耗大，成本高，但随着技术的进步，运用规模的扩大，成本已大大降低，故错误。要点1电解饱和食盐水原理eq\a\vs4\al(探究导引1)如何除去海水中的Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)等离子？选择适当的试剂和操作依次。提示：(1)可选用以下常见试剂：NaOH、Na2CO3、BaCl2和盐酸。(2)加入试剂的依次有三种：①先加NaOH，后加BaCl2，再加Na2CO3，最终用稀盐酸调整pH；②先加BaCl2，后加Na2CO3，再加NaOH，最终用盐酸调整pH；③先加BaCl2，后加NaOH，再加Na2CO3，最终用盐酸调整pH。电解饱和食盐水试验装置原理：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＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑eq\a\vs4\al(1.)下图中能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是()解析：选D。在直流电源和电解池的闭合电路中，电子从电源负极流向电解池的阴极。电解饱和食盐水，在阳极上生成Cl2，可用碘化钾淀粉溶液作试剂检验Cl2；在阴极上生成H2，可用向下排空气法收集，采纳点燃的操作方法检验H2；在阴极区生成NaOH溶液，可用酚酞试液作试剂检验NaOH。要点2离子交换膜法制烧碱eq\a\vs4\al(探究导引2)离子交换膜的基本构造、特性及其作用分别是什么？提示：(1)基本结构为离子交换膜电解槽单元槽：由阳极(钛网)、阴极(碳钢网)、离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等组成。(2)离子交换膜的特性：只允许阳离子通过，且阻挡阴离子和气体通过。(3)离子交换膜的作用：①可防止H2和Cl2混合发生爆炸；②防止Cl2与NaOH反应生成NaClO影响烧碱质量。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。eq\a\vs4\al(2.)氢氧化钠是一种用途非常广泛的重要化工原料。工业上主要通过电解饱和食盐水的方法获得氢氧化钠，我国的氯碱工业大多采纳离子交换膜电解槽。(1)写出电解饱和食盐水的电极反应式和总的反应式：阳极：________________，阴极：________________，总反应式：________________________________________。(2)离子交换膜电解槽一般采纳钛作阳极，其缘由是___________________。阴极一般用碳钢网制成。离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室，其作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)为使电解饱和食盐水的速率加快，下列措施可行的是________。A．增大阴极碳钢网面积B．提高饱和氯化钠溶液的温度C．加大阴极与阳极间的距离D．提高电解时的直流电源电压解析：电解饱和食盐水时发生的反应为：阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑，阴极：2H＋＋2e－=H2↑，总的反应式为：2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。阳极用金属钛的缘由是因为Cl2不易腐蚀金属钛。用离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室的缘由是既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避开Cl2和NaOH溶液作用生成NaCl、NaClO而影响烧碱的质量。为了加快电解饱和食盐水的速率，可以采纳增大阴极碳钢网面积、提高饱和氯化钠溶液温度、提高电解时直流电源电压的方法。答案：(1)2Cl－－2e－=Cl2↑2H＋＋2e－=H2↑2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑(2)阳极产生的Cl2不易腐蚀金属钛既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避开Cl2和NaOH溶液作用生成NaCl、NaClO而影响烧碱的质量(3)ABD要点3海洋资源的开发利用eq\a\vs4\al(探究导引3)海水提镁过程主要发生的化学反应有哪些？提示：CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaO＋CO2↑，CaO＋H2O=Ca(OH)2，MgCl2＋Ca(OH)2=CaCl2＋Mg(OH)2↓，Mg(OH)2＋2HCl=MgCl2＋2H2O，MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))Mg＋Cl2↑。eq\a\vs4\al(1.)海水淡化通过从海水中提取淡水或从海水中分别出盐分，都可以达到淡化海水的目的。海水淡化的方法已有十几种，主要的有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。其中蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较完善，是目前海水淡化的主要方法，其蒸馏原理如图所示。eq\a\vs4\al(2.)海水中镁、钾、溴、碘等化工产品元素的提取海水中含有的各种元素的特点：种类多，总储量大，富集程度低。因此，从海水中提取物质须要解决物质的富集问题。(1)海水中溴的提取流程：①用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。②向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质。2NaBr＋Cl2=Br2＋2NaCl③向含溴单质的水溶液中通入空气或水蒸气，将溴单质吹入盛有二氧化硫溶液的汲取塔内以达到富集的目的。Br2＋SO2＋2H2O=2HBr＋H2SO4④向汲取塔内的溶液中通入适量的氯气。2HBr＋Cl2=2HCl＋Br2⑤用四氯化碳(或苯)萃取汲取塔内溶液中的溴单质。(2)海带中碘的提取原理：海带中的碘元素主要以I－的形式存在，提取时用适当的氧化剂将其氧化成I2，再萃取出来。如用H2O2作氧化剂，反应的离子方程式是：2I－＋H2O2＋2H＋=I2＋2H2O试验中先将干海带灼烧去除有机物，剩余物用H2O2、H2SO4处理，使得I－被氧化成I2。eq\a\vs4\al(3.)海水资源的综合利用(1)从海水中提取淡水——海水淡化；(2)干脆利用海水进行循环冷却；(3)海水制盐；(4)从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品；(5)从海水中获得铀和重水作为核能开发的重要原料；(6)从海水中获得其他物质和能量。eq\a\vs4\al(3.)工业上对海水资源综合开发利用的部分工艺流程如图所示：(1)电解饱和食盐水常用离子交换膜电解槽，离子交换膜允许通过的分子或离子是________。电解槽中的阳极材料为________。(2)本工艺流程中先后制得Br2、CaSO4和Mg(OH)2，能否按Br2、Mg(OH)2、CaSO4依次制备？________(填“是”或“否”)。缘由是________________________________________。(3)溴单质在四氯化碳中的溶解度比在水中大得多，四氯化碳与水不互溶，故可用于萃取溴，但在上述工艺中却不用四氯化碳，缘由是__________________________________。解析：(1)电解饱和食盐水用的是阳离子交换膜，而在食盐水中的阳离子只有H＋和Na＋，电解时，H＋在阴极上生成氢气，Na＋在外加电场作用下向阴极运动，所以通过离子交换膜的是Na＋。由于阳极上发生氧化反应，是溶液中Cl－放电生成Cl2，所以必需用惰性电极，工业上一般用钛(表面涂有钌氧化物)，也可以用石墨电极。(2)在该流程起先时向苦卤中加入硫酸，因CaSO4微溶于水，先形成CaSO4沉淀而将Ca2＋除去。若先制取Mg(OH)2，加入的石灰水会有部分与硫酸反应生成CaSO4而使制得的Mg(OH)2不纯净。(3)CCl4是一种易挥发、有毒的液体，所以此流程中不用CCl4萃取的方法，而是利用溴的挥发性，向得到的含溴水的海水中吹入热空气，使溴挥发出来。与萃取相比，该方法简洁、好用、经济、无污染。答案：(1)阳离子(或Na＋)钛(或石墨)(2)否假如先沉淀Mg(OH)2，则沉淀中会夹杂有CaSO4沉淀，产品不纯(3)四氯化碳萃取法工艺困难、设备投资大，经济效益低、环境污染严峻题型1氯碱工业请回答氯碱工业中的如下问题：(1)氯气、烧碱是电解食盐水时依据固定的比率k(质量比)生成的产品。理论上k＝__________________(要求计算表达式和结果)；(2)原料粗盐中常含有泥沙和Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SOeq\o\al(2－,4)等杂质，必需精制后才能供电解运用。精制时，粗盐溶于水过滤后，还要加入的试剂分别为①Na2CO3、②HCl(盐酸)、③BaCl2，这3种试剂添加的合理依次是________________(填序号)；(3)氯碱工业是高耗能产业，一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节(电)能30%以上。在这种工艺设计中，相关物料的传输与转化关系如下图所示，其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过。①图中X、Y分别是________、________(填化学式)，分析比较图示中氢氧化钠质量分数a%与b%的大小________；②分别写出燃料电池B中正极、负极上发生的电极反应：正极：________________________________________________________________________；负极：________________________________________________________________________；③这样设计的主要节(电)能之处在于(写出2处)______________________、________________________。【解析】(1)依据2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2NaOH＋Cl2↑＋H2↑，得出Cl2和NaOH物质的量之比为1∶2，转化为质量比即得出答案71∶80。(2)先加BaCl2可以除去SOeq\o\al(2－,4)，再加Na2CO3能除去引入的Ba2＋和溶液中的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋，再加入盐酸能除去引入的COeq\o\al(2－,3)。(3)①因A中电解饱和食盐水生成H2和Cl2，H2要和B中通入的O2形成燃料电池，所以X为Cl2，Y为H2。因B中右端O2放电产生的OH－可和能够自由通过交换膜的Na＋结合成NaOH，所以a%＜b%。②这是H2和O2组成的燃料电池，正极：eq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－；负极：H2＋2OH－－2e－=2H2O。【答案】(1)eq\f(M（Cl2）,2M（NaOH）)＝eq\f(71,80)＝1∶1.13或0.89(2)③①②(3)①Cl2H2a%＜b%②eq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－H2＋2OH－－2e－=2H2O③燃料电池可以补充电解池消耗的电能提高产出碱液的浓度(其他合理答案也可)题型2海水提镁从海水中提纯粗盐后的母液中含有K＋、Na＋、Mg2＋等阳离子，对母液进行一系列的加工可制得金属镁。(1)从离子反应的角度思索，在母液中加入石灰乳所起的作用是________________________________________________________________________。(2)石灰乳是生石灰与水作用形成的化合物，从充分利用当地海洋化学资源，提高生产与经济效益的角度考虑，生产生石灰的主要原料是________________________________。(3)电解熔融的无水氯化镁所得的镁蒸气在特定的环境里冷却后即为固体镁，下列物质中可以用作镁蒸气的冷却剂的是(填写代号)________。A．H2 B．CO2C．空气 D．O2E．水蒸气【解析】(1)Mg(OH)2难溶于水，Ca(OH)2微溶于水。在K＋、Na＋、Mg2＋等阳离子中，Mg2＋与石灰乳供应的OH－反应生成Mg(OH)2沉淀。(2)“充分利用当地海洋化学资源”，它示意的是利用贝壳中的CaCO3生产生石灰。(3)镁单质易被氧化，因此冷却镁蒸气应在还原性的氛围中冷却，题给物质中只有H2不和Mg反应。【答案】(1)沉淀Mg2＋[或制取Mg(OH)2](2)贝壳(3)Aeq\a\vs4\al(1.)海水制盐时除了得到盐外，还可得到淡水的方法是()A．电渗析法 B．蒸发法C．结晶法 D．以上都不行解析：选A。海水制盐的常用方法有电渗析法、蒸发法、冷冻法，其中电渗析法、冷冻法还可以得到淡水。eq\a\vs4\al(2.)不属于海水提溴过程的是()A．氧化 B．蒸馏C．吹出 D．汲取解析：选B。海水提溴的过程主要包括氧化、吹出、汲取三部分。eq\a\vs4\al(3.)海水是镁的主要来源之一。从海水中提取镁可按如下步骤进行：①把贝壳制成石灰乳；②在引入的海水中加入石灰乳，沉降、洗涤、过滤沉淀物；③将沉淀物与盐酸反应，结晶、过滤、干燥产物；④电解得到产物。下列关于提取镁的说法中，不正确的是()A．此法的优点之一是原料取自大海B．进行①②③步骤的目的是富集MgCl2C．可用电解熔融氧化镁的方法制取镁D．电解法冶炼金属要消耗大量的电能解析：选C。有关反应方程式：CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))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(电解),\s\do5(熔融))Mg＋Cl2↑。eq\a\vs4\al(4.)向NaBr、NaI、Na2SO3混合液中通入肯定量氯气后，将溶液蒸干并灼烧，得到固体剩余物的组成可能是()①NaClNa2SO4②NaClNaBrNa2SO4③NaClNa2SO4I2④NaClNaINa2SO4A．①② B．③④C．①③ D．②④解析：选A。当Cl2足量时，由于Cl2和NaBr、NaI反应生成的Br2易挥发，I2易升华，Cl2和Na2SO3反应生成Na2SO4和NaCl，所以①正确，③错误；当Cl2不足时，因为I－还原性大于Br－，故④错误；当Cl2的量不足以使NaBr完全反应时，②也是可能的。eq\a\vs4\al(5.)全球海水中的溴的储量丰富，约占地球溴总储量的99%，故溴有“海洋元素”之称，海水中溴含量为65mg·L－1。其工业提取法有：(1)空气吹出纯碱汲取法。该方法是将氯气通入到富含溴离子的海水中，将溴置换出来，再用空气将溴吹出，用纯碱溶液汲取，最终用硫酸酸化，即可得到单质溴。该方法涉及的反应有：①________________(写离子方程式)；②3Br2＋3COeq\o\al(2－,3)=BrOeq\o\al(－,3)＋5Br－＋3CO2↑；③BrOeq\o\al(－,3)＋5Br－＋6H＋=3Br2＋3H2O。其中反应②中氧化剂是______，还原剂是______。(2)空气吹出SO2汲取法。该方法基本同(1)，只是将吹出的溴用SO2来汲取，使溴转化为氢溴酸，然后再用氯气氧化氢溴酸即得单质溴。写出溴与二氧化硫反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(3)溶剂萃取法。该法是利用单质溴在水中和萃取剂中溶解度的不同的原理来进行的。试验室中萃取用到的试验仪器名称是________________。下列可以用于海水中提取溴的萃取剂的试剂是______。a．乙醇b．四氯化碳c．硝酸解析：工业提取溴的原理：将氯气通入到富含溴离子的海水中，使溴置换出来，然后用某些溶液汲取，再提纯即可。(1)Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2。(2)溴与二氧化硫反应的化学方程式为Br2＋SO2＋2H2O=2HBr＋H2SO4，方法(3)是物理方法，因为溴易溶于有机溶剂，作为海水中溴的萃取剂的可以是四氯化碳。答案：(1)Cl2＋2Br－=2Cl－＋Br2Br2Br2(2)Br2＋SO2＋2H2O=2HBr＋H2SO4(3)分液漏斗、烧杯b[经典案例]海水是巨大的资源宝库，在海水淡化及综合利用方面，天津市位居全国前列；从海水中提取食盐和溴的过程如下：(1)请列举海水淡化的两种方法：__________、__________。(2)将NaCl溶液进行电解，在电解槽中可干脆得到的产品有H2、______、______或H2、______。(3)步骤Ⅰ中已获得Br2，步骤Ⅱ中又将Br2还原为Br－，其目的为_________________________