2021年人教版化学选修2知识纲要与发散思维训练:第二章化学与资源开发利用
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1、选修选修 2 知识纲要与发散思维训练知识纲要与发散思维训练 第二章化学与资源开发利用第二章化学与资源开发利用 一、一、获取洁净的水获取洁净的水 【知识纲要】【知识纲要】 要点 1. 生活用水的净化 (1)基本流程:混凝沉淀过滤 杀菌 (2)常用混凝剂为铝盐(如硫酸铝、明矾、碱式氯化铝等)、三价铁盐等。原理 为 Al 33H 2OAl(OH)33H ,Fe33H 2OFe(OH)33H ,生成的胶体能吸 附水中的悬浮杂质而沉降。 (3)常用的消毒剂为液氯、漂白粉、臭氧、二氧化氯等。 (4)除去水中的异味:活性炭颗粒的表面积大,吸附能力强,让水通过由细小 的活性炭颗粒组成的滤床能够除去水中的异味。
2、 要点 2. 污水处理 (1)基本流程: (2)污水处理的方法 方法 原理 操作 物理法 主要是利用物理原理和机械作 用对废水进行治理 沉淀、均衡调节、过滤、离心分 离等 物理化学 法 通过物理化学过程来除去污染 物的方法 吸附、浮选、反渗透、电渗析、 超过滤、超吸附等 化学法 通过施用化学药剂或采用其他 手段进行废水处理的方法 中和法 (处理酸性废水和碱性废 水) 、氧化法(除去油类、氮化 物、 硫化物等物质) 、 沉淀法 (处 理含有重金属离子的废水) 、离 子交换法等 生物化学 法 利用微生物的代谢作用,除去 废水中的溶胶物质及有机物质 的方法 活性污泥法、生物滤池法、厌气 处理法等 要
3、点 3. 硬水的软化 (1)暂时硬度和永久硬度:水的硬度是由 Ca(HCO3)2和 Mg(HCO3)2引起的,称暂时 硬度;水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物引起的,称永久硬度。 (2)硬水软化的目的:降低硬水中 Ca 2、Mg2的含量使之达到规定标准。 (3) 硬水软化的方法: 加热法 范围 软化暂时硬度的水 原理 Ca(HCO3)2= CaCO3CO2H2O Mg(HCO3)2= MgCO3CO2H2O MgCO3H2O= Mg(OH)2CO2 水垢 CaCO3和 Mg(OH)2的混合物 药剂法 范围 暂时硬水和永久硬水 药品 纯碱、生石灰 原理 Ca(HCO3)2Ca(OH)2=2CaC
4、O32H2O Mg(HCO3)22Ca(OH)2=2CaCO3Mg(OH)2 2H2O MgSO4Ca(OH)2=Mg(OH)2CaSO4 Ca2 CO2 3=CaCO3 离子交换法 范围 硬水中 Ca 2、Mg2以硫酸盐或氯化物形式存在 药品 磺化煤(NaR)作离子交换剂 原理 2NaRCa 2=2NaCaR 2 2NaRMg 2=2NaMgR 2 水垢的主要成分是 CaCO3和 Mg(OH)2,不是 CaCO3和 MgCO3,原因是 Mg(OH)2的 溶解度小于 MgCO3的溶解度,加热煮沸和石灰纯碱法除去 Mg 2时都转化为更难溶的 Mg(OH)2。 药剂法软化硬水必须注意加入试剂的先后
5、顺序,为使离子沉淀完全,所加入 的试剂必须过量,过量的试剂 Ca 2也必须除去,所以 Na 2CO3应在 Ca(OH)2之后。石 灰纯碱法软化后的硬水,仍然会有一定的硬度,原因是生成的钙镁化合物仍然有一 定的溶解度。 鉴别硬水和软水可利用肥皂水,加肥皂水硬水会产生较多的沉淀,软水会产 生较多的泡沫。 离子交换树脂不只有阳离子交换树脂,也有阴离子交换树脂。 要点 4. 海水淡化 海水淡化又称脱盐,利用物理、化学、生物方法将海水中溶解的盐脱除。常用 方法有蒸馏法、电渗析法、反渗透法、冷冻法等。 【典例分析】【典例分析】 例题 1 下列离子中,引起水质硬度较大的是( ) Ca 2 Al3 Na Mg
6、2 HCO 3 SO 2 4 A.全部 B. C. D. 答案答案 解析解析 D 含 Ca 2、Mg2较多的水为硬水,由 Ca(HCO 3)2、Mg(HCO3)2造成的硬水为暂时硬 水,由 CaSO4、MgSO4造成的硬水为永久硬水 变式练习 1. 钠型离子交换剂磺化煤(NaR)可使硬水中的钙、镁离子通过离子交换 而软化。海水的一种淡化方法是使海水(含钠离子、镁离子、氯离子等)依次通过 两种离子交换树脂 A、B(如图所示) ,下列叙述不 正确的是( ) A.A 为氢型离子交换树脂(HR) ,B 为羟型离子交换树脂(ROH) B.A 为羟型离子交换树脂(ROH) ,B 为氢型离子交换树脂(HR)
7、 C.HR 与镁离子的反应可表示为:2HRMg 2=MgR 22H D.ROH 与氯离子的反应可表示为:ROHCl =RClOH 答案答案 解析解析 B 若使海水先通过 ROH 树脂,溶液中会有较多的 OH ,这样使海水中的 Mg 2转化为 Mg(OH) 2沉淀,造成堵塞而使海水淡化失败。所以 A 为氢 型离子交换树脂(HR) ,B 为羟型离子交换树脂(ROH) 例题 2 某电镀铜厂有两种废水需要处理,一种废水中含有 CN ,另一种废水中含有 Cr2O 2 7。该厂拟定如图所示的废水处理流程。回答以下问题: (1)上述处理废水的流程中主要使用的方法是 。 (2)中使用的 NaClO 溶液呈碱性
8、,用离子方程式解释原因 。 (3)中反应后无气体放出,该反应的离子方程式为 。 (4)中反应时,当有 0.4 mol Cr2O 2 7参加反应时转移 2.4 mol e ,该反应的离 子方程式为 。 (5)取少量待检水样于试管中,先加入 NaOH 溶液,观察到有蓝色沉淀生成,继续 加入 NaOH 溶液, 直到不再产生蓝色沉淀为止, 再加入 Na2S 溶液, 有黑色沉淀生成, 且蓝色沉淀逐渐减少。请你使用化学用语,结合必要的文字解释其原 因 。 答案答案 解析解析 (1)氧化还原法 (2)ClO H 2O HClOOH (3) CN ClO=CNO Cl (4)3S2O 2 34Cr2O 2 7
9、 26H =6SO2 48Cr 3 13H2O (5)待检水样中还有 Cu 2, Cu 22OH=Cu (OH) 2, Cu (OH)2(s) S 2 (aq) =CuS(s)2OH (aq) 或 Cu(OH)2Cu 2 2OH ,Cu2S2 =CuS, CuS比Cu (OH) 2更难溶或 CuS 比 Cu (OH)2的溶解度更小 (1)由题图可知 CN 被氧化,Cr 2O 2 7被还原,故处理 废水的流程中主要使用的方法是氧化还原法。 (2) NaClO 溶液呈碱性是因为 ClO 发生水解, 离子方程式 为:ClO H 2OHClOOH 。 (4)0.4 mol Cr 2O 2 7 参加反应
10、时转移 2.4 mol 电子,即 1 mol Cr2O 2 7参加 反应时转移 6 mol 电子,故反应中 Cr 元素化合价从 6 变为3, 则离子方程式为: 3S2O 2 34Cr2O 2 726H =6SO2 48Cr 313H 2O。 (5)加入氢氧化钠溶液后有蓝色沉淀产生,表明水 样中有 Cu 2;加入 Na 2S 有黑色沉淀产生,表明蓝色 沉淀转变为黑色的 CuS 沉淀,涉及的反应为 Cu(OH) 2(s)S 2 (aq)=CuS(s)2OH (aq)或 Cu(OH) 2Cu 22OH,Cu2S2=CuS,即 CuS 比 Cu (OH)2更难溶或 CuS 比 Cu(OH)2的溶解度更
11、小 变式练习 2. (1)有毒物质的无害化也是绿色化学研究的内容之一。ClO2是一种性 能优良的消毒剂,还可将废水中少量的 S 2、NO 2和 CN 等有毒有害的还原性酸根离 子氧化除去。请写出用 ClO2将废水中含有剧毒的 CN 氧化成无毒气体的离子方程 式 ,并说明该方法的优点 。 (2)下图为某饮用水厂从天然水制备纯净水(去离子水)的工艺流程示意图。 活性炭的作用是 ;O3消毒的优点 是 。 A、 B 中放置的物质名称分别是: A ; B 。 答案答案 解析解析 (1)2ClO22CN =2CO2N22Cl 产物为无毒的气体 (CO2和 N2) (2)吸附水中的有机 物(或去除水中的异
12、味) 反应产物无毒 无害 阳离子交换树 脂 阴离子交换树脂 (1) 书写氧化还原方程式时, 根据题意先确定反应产物: 应将 CN 氧化成无毒的 CO 2和 N2两种气体, 而 ClO2被还原 为 Cl ;再利用化合价升降法配平化学方程式:Cl 元素 由41 价,C 元素由24,N 元素由30 价。 (2)天然水 砂滤 去除水中不溶性杂质 活性炭 通过吸附 作用去除有毒、 有异味的分子 阳离子交换树脂 去除水中的 阳离子 阴离子交换树脂 去除水中的阴离子 O3 杀菌消 毒 二二、海水的综合利用海水的综合利用 【知识纲要】【知识纲要】 要点 1. 海水中盐的开发和利用 (1)海水制盐:以蒸发法为主
13、,主要得到 NaCl 和 CaCl2、MgCl2、Na2SO4。另外还 有电渗析法和冷冻法。 (2)氯碱工业 反应原理:2NaCl2H2O= 电解2NaOHH 2Cl2 工艺流程: 设备:离子交换膜电解槽。(阳)离子交换膜只允许 Na 通过。 产品:阳极室:氯气,补充饱和食盐水流出淡盐水。阴极室:氢气和 NaOH, 补充纯水(加入一定量 NaOH)流出 NaOH 溶液。 (3)粗盐的精制 目的:除去泥沙,使 Ca 2、Mg2、Fe3、SO2 4等离子的含量达到要求。 原因:Ca 2、Mg2等会在碱溶液中形成沉淀,损坏离子交换膜,泥沙及 SO2 4会 引入杂质。 试剂:BaCl2、Ca(OH)2
14、、Na2CO3、稀盐酸 用 BaCl2除去 SO 2 4,用 Ca(OH)2除去 Mg 2、Fe3,用 Na 2CO3除去 Ba 2及 Ca2,为 保证将杂质离子除尽,所加试剂总是略有过量,过量的试剂需依靠后续试剂除去。 因此试剂的加入要有一定的顺序。例如:纯碱须加在钡试剂后,过滤后才能在溶液 中加入稀盐酸。 有关反应离子方程式:Ba 2SO2 4=BaSO4,Mg 22OH=Mg(OH) 2,Fe 3 3OH=Fe(OH) 3, Ca 2CO2 3=CaCO3, Ba 2CO2 3=BaCO3, H OH=H 2O, CO 2 32H =H 2OCO2 要点 2. 从海水中提取溴单质 (1)
15、工艺流程: 通氯气前要将海水酸化,pH 为 3.5 时,氯气的氧化效果最好。 用空气或 H2O(g)将溴吹出, 而不用 CCl4萃取, 因后者工艺复杂, 设备投资大, 经济效益低且对环境污染严重。 (2)反应原理: Cl22NaBr=2NaClBr2 3Br23Na2CO3=5NaBrNaBrO33CO2 5NaBrNaBrO33H2SO4=3Br23Na2SO43H2O Br2SO22H2O=2HBrH2SO4 Cl22HBr=2HClBr2 要点 3. 从海水中提取镁单质 (1)工艺流程: (2)主要化学反应: 制备石灰乳:CaCO3= 煅烧CaOCO 2,CaOH2O=Ca(OH) 沉淀
16、 Mg 2:Mg2Ca(OH) 2=Mg(OH)2Ca 2 制备 MgCl2:Mg(OH)22HCl=MgCl22H2O 电解 MgCl2:MgCl2(熔融)= 通电MgCl 2 (3)生产中应用的平衡原理 沉淀溶解平衡原理: 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的,则最大限度地将 Mg 2转化为 Mg(OH) 2沉淀。 水解平衡原理:在 MgCl26H2O 脱水变为 MgCl2时,由于 MgCl22H2O垐? 噲 ? Mg(OH)22HCl 水解平衡的存在,在 HCl 气体环境中,增大了c(HCl),抑制了 MgCl2
17、的水解,避免了 Mg(OH)2的生成。 (4)电解熔融 MgCl2生成的 Cl2可用于制盐酸,循环使用,节省成本。 【典例分析】【典例分析】 例题 3 海洋中有丰富的食品、矿产、能源、药物和水产资源等(如图所示)。下列有 关说法不正确的是 ( ) A从能量转换角度来看,框图中的氯碱工业是一个将电能转化为化学能的过程 B过程中结晶出的 MgCl26H2O 要在 HCl 氛围中加热脱水制得无水 MgCl2 C在过程中溴元素均被氧化 D 过程中除去粗盐中的 SO 2 4、 Ca 2、 Mg2、 Fe3等杂质, 加入的药品顺序为: Na 2CO3 溶液NaOH 溶液BaCl2溶液过滤后加盐酸 答案答案
18、 解析解析 D 氯碱工业是电解食盐水,其过程是将电能转化为化学能,A 项正确;由 MgCl26H2O 加热得到 MgCl2需要加 HCl 抑制 Mg 2的水解, B 项正确; 根据 工艺流程图、均是 Br 被氧化得到 Br 2,发生氧化反应,C 项正确;D 项需要先加BaCl2溶液后加Na2CO3溶液, 才能达到不引入Ba 2杂质的目的, D 项错误 变式练习 3. 天然海水中主要含有 Na 、K、Ca2、Mg2、Cl、SO2 4、Br 、CO2 3、 HCO 3等离子。火力发电燃煤排放的含 SO2的烟气可利用海水脱硫,其工艺流程如下 图所示,下列说法中错误的是 ( ) A天然海水 pH8 的
19、原因是海水中的 CO 2 3、HCO 3水解 B“氧化”是利用氧气将 H2SO3、HSO 3、SO 2 3等氧化生成 SO 2 4 C“反应、稀释”时加天然海水的目的是中和、稀释经氧化后海水中生成的酸 D“排放”出来的海水中 SO 2 4的物质的量浓度与进入吸收塔的天然海水相同 答案答案 解析解析 D 由题中所给的天然海水的离子及结合流程图可分析知,氧化的环节是指 将烟气中硫元素氧化成 SO 2 4,故最终出来的海水中的 SO 2 4含量比进入吸 收塔的要高,D 项错 例题 4 将海水淡化与浓海水资源化结合起来是综合利用海水的重要途径之一。一般 是先将海水淡化获得淡水,再从剩余的浓海水中通过一
20、系列工艺流程提取其他产品。 回答下列问题: (1)下列改进和优化海水综合利用工艺的设想和做法可行的是_(填序号)。 用混凝法获取淡水 提高部分产品的质量 优化提取产品的品种 改进钾、溴、镁等的提取工艺 (2)采用“空气吹出法”从浓海水中吹出 Br2,并用纯碱吸收。碱吸收溴的主要反应 是 Br2Na2CO3H2O NaBrNaBrO3NaHCO3,吸收 1 mol Br2时,转移的电子为 _mol。 (3)海水提镁的一段工艺流程如下图: 浓海水的主要成分如下: 离子 Na Mg 2 Cl SO 2 4 浓度/(gL 1) 63.7 28.8 144.6 46.4 该工艺过程中,脱硫阶段主要反应的
21、离子方程式为_, 产品 2 的化学式为_,1 L 浓海水最多可得到产品 2 的质量为_g。 (4)采用石墨阳极、不锈钢阴极电解熔融的氯化镁,发生反应的化学方程式为 _;电解时,若有少量水存在会造成产品镁的消耗,写出有关反应的化学 方程式:_。 答案答案 解析解析 (1) (2)5 3 (3)Ca 2SO2 4=CaSO4 Mg(OH)2 69.6 (4)MgCl2= 通电MgCl 2 Mg2H2O= 高温 Mg(OH)2 H2 (1)将海水经过处理得到淡水和浓海水,这是综合利用海水的重要 途径之一,从而可以提高部分产品的质量,优化提取产品的品种, 改进钾、溴、镁等的提取工艺。(2)根据反应原理
22、,将方程式配平: 3Br26Na2CO33H2O=5NaBrNaBrO36NaHCO3。每 3 mol Br2被吸 收时转移 5 mol e ,则吸收 1 mol Br 2转移5 3 mol e 。(3)工艺流 程中,脱硫加入的是得到产品 2 过程中过滤时的滤液,而此滤液中 所含的能够脱硫的离子来源于合成步骤中的石灰乳, 故脱硫阶段的 主要离子方程式为 Ca 2SO2 4=CaSO4;而产品 2 是由加入石灰 乳之后得到的沉淀得来的,即 Mg 2Ca(OH) 2=Mg(OH)2Ca 2,故 产品 2 为 Mg(OH)2;1 L 浓海水中 Mg 2为 28.8 g,故可得到产品 2 即 Mg(O
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