课题2　海水的综合利用优质课教案

课题2

海水的综合利用

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1.了解海水晒盐的原理与工艺。2.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。3.了解吹出法从海水中提取溴的原理和方法。4.了解海水中提取镁的原理和工艺流程。5.了解硫化氢——水双温交换法从海水中提取重水的方法。

一、海水中盐的开发和利用

1．海水中含有多种盐类

如氯化钠、氯化镁、硫酸钙等。在海水的无机盐中，以氯化钠为最多，约占海水中盐类总量的80%。

2．海水制盐

(1)海水制盐的方法：目前，由海水制盐的方法仍以蒸发法(盐田法)为主，还有其他方法如电渗析法、冷冻法等。

(2)盐田的组成：一般分成贮水池、蒸发池和结晶池三部分。

3．食盐资源的利用

(1)氯碱工业的基本原理：电解饱和食盐水得到NaOH、H2和Cl2。阴、阳两极上的电极反应式和电解方程式分别为

阴极：2H＋2e===H2↑

阳极：2Cl－2e===Cl2↑

电解方程式：2NaCl＋2H2O=====2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

(2)主要设备：目前，比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。主要设备为离子交换膜电解槽。

[议一议]

1．海水晒盐的原理是什么？简述海水晒盐的流程。

答案

海水晒盐利用的是蒸发结晶原理，即在太阳光的作用下，海水温度升高，水分不断蒸发，氯化钠的溶解度仅有极微弱的升高，同时，流动的风也带走了大量的水分，氯化钠在海水中逐渐达到饱和，水分再蒸发，氯化钠便结晶析出。

通电－－＋－

2．氯碱工业，使用的是精制食盐水，工业上如何获取精制食盐水？

答案

粗盐水

――→

除泥沙①过滤――→

加稀盐酸――→

BaCl；NaOH；NaCO223②除杂并过滤③调pH④阳离子交换树脂除少量Ca2、Mg2等＋＋――→

精制食盐水

＋232其中加入BaCl2除去SO24，加入NaOH除去Mg、Fe，加入Na2CO3除去Ca和过量的－＋＋Ba2。

＋3．工业上若不用特殊的措施将阴极室和阳极室隔开，可能会发生什么后果？

答案

Cl2与NaOH溶液能发生反应生成NaClO：

Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O H2与Cl2能发生反应：H2＋Cl2===2HCl 电解食盐水制NaOH，若不将产物分开则会产生其他物质，而且H2与Cl2混合可能会有爆炸的危险。

二、海水提溴、镁和重水

1．海水提溴

(1)常用的一种海水提溴技术叫做吹出法，即用氯气氧化海水中的Br，使其变成Br2，然后用空气和水蒸气吹出。

(2)吹出法提溴的过程

①氯化：在pH＝3.5的酸性条件下效果最好，Cl2氧化Br的离子方程式：2Br＋Cl2===Br2＋2Cl。

②吹出：用水蒸气或热空气将溴吹出。

③吸收：用SO2吸收Br2，其化学方程式：SO2＋Br2＋H2O===2HBr＋H2SO4。

2．海水提镁

工业规模海水提镁的一种方法是，将海水抽入反应槽(沉淀槽)中，加入石灰乳，使海水中的镁转变成Mg(OH)2沉淀；加入盐酸转化成MgCl2溶液，过滤、烘干，然后电解熔融MgCl2得到镁和氯气。

3．海水提取重水

(1)重氢与重水的符号

氢的同位素氘叫做重氢，符号为21H或D；重水的分子式为D2O。

(2)重水的应用

D2O可作原子能反应堆的中子减速剂和传热介质。

(3)提取重水(D2O)的方法：蒸馏法、电解法、化学交换法和吸附法等。

化学交换的一种硫化氢——水双温交换法方程式为H2O(l)＋HDS(g)过程中参与循环的物质为H2S。

[议一议]

1．海水提溴的过程中先是用Cl2将Br氧化成Br2，吹出后又用SO2将其还原为Br，这样操作的目的是什么？整个制备过程对设备有何特殊要求？

答案

海水中Br浓度太低，这样操作是为了富集溴。整个制备过程中都是酸性和强氧化性－－－－－－－HDO(l)＋H2S(g)，此

环境，因而设备要耐酸和强氧化性腐蚀。

2．能否用电解MgCl2溶液的方法获得金属镁？将MgCl2溶液浓缩得到MgCl2·6H2O晶体后，如何获取无水MgCl2?

答案

由于Mg2的放电能力小于H，不能用电解MgCl2溶液的方法获取金属镁。

＋＋Mg2水解生成Mg(OH)Cl或Mg(OH)2沉淀，为了抑制Mg2的水解，通常在HCl气流中加热＋＋烘干MgCl2·6H2O晶体得无水MgCl2。

一、离子交换膜法制烧碱的主要生产过程

1．原理

阳极(用石墨)：2Cl－2e===Cl2↑

阴极(用铁)：2H＋2e===H2↑

＋－－－

2．电解原理示意图

3．装置构造及生产过程

(1)离子交换膜电解槽主要由阳极(用金属钛网制成，涂有钛、钌等氧化物涂层)、阴极(由碳钢网制成，上面涂有镍涂层)、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。

(2)离子交换膜的特性：只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过。

(3)电解时精制的饱和食盐水进入阳极室，把纯水(加入一定量的NaOH溶液)加入阴极室。

(4)电解的结果：在阳极室中生成Cl2；在阴极室中生成H2和烧碱。

4．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、生产能力强、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。

例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．阴极区溶液使酚酞溶液显红色

D．阳极产生使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝的气体

答案

B 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不能透过离子交换膜。A正确，B不正确。

变式训练1

下列说法不正确的是(

) A．电解饱和食盐水的工厂可以生产盐酸

B．电解饱和食盐水在阴极区有NaOH生成

C．用离子交换膜法制烧碱不会对环境造成污染

D．氯碱工业产品可用于造纸、金属冶炼等行业

答案

C 解析

电解饱和食盐水可得到NaOH、H2、Cl2，H2＋Cl2=====2HCl，HCl溶于水可得盐酸，NaOH可用于造纸，H2还可以用于冶炼金属，离子交换膜法制烧碱在阴极区可得到NaOH溶液。

二、海水提取溴的工艺流程

1．工艺流程

点燃－－－－

2．主要反应原理

Cl2＋2Br===Br2＋2Cl

3．溴的吸收富集

(1)纯碱吸收法：海水中的溴离子被氧化为溴单质后，用热空气或水蒸气吹出，通过Na2CO3溶液使溴富集后，再将得到的溶液用稀硫酸酸化，用有机溶剂萃取溴单质。发生反应：

3Br2＋3Na2CO3===5NaBr＋NaBrO3＋3CO2↑

5NaBr＋NaBrO3＋3H2SO4===3Br2＋3Na2SO4＋3H2O (2)SO2吸收法：用空气吹出的溴和大量的空气混合在一起，不易分离，用还原剂SO2吸收后，再用氯气氧化HBr即得到溴单质。

例2

福建有广阔的海岸线，建设海峡西岸经济区，海水的综合利用大有可为。海水中溴含量约为65 mg·L1，从海水中提取溴的工业流程如下：

－－－

(1)以上步骤Ⅰ中已获得游离态的溴，步骤Ⅱ又将之转变成化合态的溴，其目的是________________________________________________________________________。

(2)步骤Ⅱ通入热空气或水蒸气吹出Br2，利用了溴的________。

A．氧化性

B．还原性

C．挥发性

D．腐蚀性

(3)以上流程Ⅱ中涉及的离子反应如下，请在下面短线上填入适当的化学计量数：

__________Br2＋__________CO23===__________BrO3＋__________Br＋__________CO2↑

－－－(4)上述流程中吹出的溴蒸气，也可先用二氧化硫水溶液吸收，再用氯气氧化后蒸馏。写出溴与二氧化硫水溶液反应的化学方程式：______________________________________________ __________________________。

(5)实验室分离溴还可以用溶剂萃取法，下列可以用作溴的萃取剂的是__________。

A．乙醇

B．四氯化碳

C．烧碱溶液

D．苯

答案

(1)富集(或浓缩)溴

(2)C (3)3

3

1

5

3 (4)SO2＋Br2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

(5)BD 解析

(1)由于海水中Br的含量低，步骤Ⅰ中获得游离态的溴后，步骤Ⅱ中又将其转化为化合态的溴，其目的是富集溴。(2)步骤Ⅱ中用热空气或水蒸气吹出Br2，主要是利用了溴的挥发性。(3)利用得失电子守恒、电荷守恒和质量守恒配平该离子方程式。(4)溴与二氧化硫水溶液反应的化学方程式为：SO2＋Br2＋2H2O===H2SO4＋2HBr。(5)乙醇能与水互溶，不能用作萃取剂；烧碱溶液能与溴反应，不能用作萃取剂。

变式训练2

全球海水中溴的储量丰富，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65 mg·L1，其工业提取法有：

－－(1)空气吹出纯碱吸收法。方法是将氯气通入到富含溴离子的海水中，把溴置换出来，再用空气将溴吹出，用纯碱溶液吸收，最后用硫酸酸化，即可得到单质溴。该方法涉及的反应有：

①________________(写出离子方程式)；

②3Br2＋3CO23===BrO3＋5Br＋3CO2↑；

－－－③BrO3＋5Br＋6H===3Br2＋3H2O。

其中反应②和③的氧化剂分别是________、________。

－－＋

(2)空气吹出SO2吸收法。该方法基本同(1)，只是将吹出的溴用SO2来吸收，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不同的原理来进行的，实验室中萃取用到的实验仪器的名称是________，下列可以用于海水中溴的萃取的试剂是________(填序号)。

①乙醇

②四氯化碳

③硝酸

答案

(1)Cl2＋2Br===2Cl＋Br2

Br2

BrO3

(2)Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

(3)分液漏斗、烧杯、铁架台(带铁圈)

②

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，将溴置换出来，然后被某些溶液吸收，再氧化提取。方法(3)是利用物理方法，用有机溶剂溶解，因为溴易溶于有机溶剂，选项中能作为海水中溴的萃取剂的是②四氯化碳。

三、从海水中提取镁的基本原理和步骤

第一步：先将海边大量存在的贝壳煅烧成生石灰，并将生石灰制成石灰乳。

CaCO3=====CaO＋CO2↑

CaO＋H2O===Ca(OH)2

第二步：将石灰乳加入到海水沉淀池中得到氢氧化镁沉淀。

MgCl2＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋CaCl2

第三步：将氢氧化镁与盐酸反应生成六水合氯化镁，将六水合氯化镁在氯化氢的气氛中加热脱水(干燥)使其转化为无水氯化镁。

Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O MgCl2＋6H2O===MgCl2·6H2O MgCl2·6H2O=====MgCl2＋6H2O △第四步：电解熔融的氯化镁就可以得到金属镁和氯气。

MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑

例3

海水中镁的总储量约为2.1×1015t，目前世界上60%的镁来自海水。工业上大规模地从海水中提取镁的工艺流程如下图所示，步骤为①将海水中大量的贝壳煅烧得到生石灰。②将生石灰制成石灰乳。③将石灰乳加入到海水沉淀池中，经过滤得到氢氧化镁沉淀。④将氢氧化镁沉淀与盐酸反应制得MgCl2溶液，并将其加热浓缩、冷却结晶得到MgCl2·6H2O。⑤将氯化镁晶体在“一定条件”下加热得到无水MgCl2。⑥电解熔融的氯化镁制得镁。

通电HCl高温－－－

请回答下列问题：

(1)请写出从海水提取镁的过程中①⑥反应的化学方程式：①_______________________ _________________________________________________________________________，

⑥________________________________________________________________________。

(2)工业上采用电解MgCl2的方法制得金属镁，电解槽中阴极的电极反应式为____________________。

(3)步骤④中的蒸发是利用风吹日晒来完成的；而在实验室中进行蒸发操作需要的主要仪器有______、________、________、________、铁架台等。

(4)步骤⑤中的“一定条件”指的是_________________________________________________ _______________________，目的是______________________________________________。

(5)上述制镁的流程中，可以在降低成本、减少污染方面做一些工作，请写出其中一点________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(6)有同学认为上述过程中，可加热Mg(OH)2得到MgO，再电解熔融的MgO制金属镁，这样简化实验步骤，体现实验的简约性原则。你同意该同学的想法吗？________，为什么？________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(若上空填同意，则此空不用填)。

答案

(1)CaCO3=====CaO＋CO2↑

MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑

(2)Mg2＋2e===Mg ＋－高温通电(3)蒸发皿

玻璃棒

酒精灯

坩埚钳

(4)在HCl气流中

抑制氯化镁水解生成氢氧化镁

(5)电解产生的氯气用于制取氯化氢气体，以实现氯元素的循环使用

(6)不同意

因为MgO的熔点很高，熔融时消耗大量的能量而增加生产成本

解析

(1)①中煅烧贝壳实际上煅烧的是CaCO3；电解熔融的MgCl2生成Mg和Cl2。

(2)电解时阴极上Mg2发生还原反应。

＋(3)实验室里蒸发用到的仪器主要有蒸发皿、玻璃棒、坩埚钳、酒精灯、铁架台等。

(4)步骤⑤的一定条件是指在HCl气氛中进行。

(5)Cl2可循环利用，以减少其造成的污染。

(6)MgO的熔点高、难熔化，直接电解MgO制Mg不经济。

变式训练3

从海水中提取镁，正确的方法是(

) A．海水―――→Mg(OH)2―――→Mg B．海水―――→MgCl溶液―→MgCl2晶体―――→Mg C．海水―――→Mg(OH)2―――→MgO―――→Mg D．海水―――→Mg(OH)2―――→MgCl2溶液―→MgCl2(熔融)―――→Mg 答案

D 解析

本题要求我们既要知道镁是由电解熔融的氯化镁得到的，还要知道生产中从海水中提取氯化镁的途径及原料的合理使用，即利用海边富有的贝壳资源生产氢氧化钙以变废为宝。

石灰乳盐酸电解石灰乳灼烧电解HCl电解NaOH电解

1．下列说法中不正确的是(

) A．氯碱生产的核心技术原理是电解原理

B．氯碱工业中用金属阳极代替石墨阳极是因为用金属阳极更节电且耐腐蚀，故使用寿命长

C．氯碱工业的产品应依据用户的需求量而定

D．氯碱生产的常用方法有离子交换膜法、隔膜法、水银法等，其中水银法制得的碱液纯度高、质量好，所以该法是氯碱工业的最理想的方法

答案

D 解析

水银毒性大，被淘汰。

2．由海水制备无水氯化镁，主要有以下步骤：①在一定条件下脱水干燥；②加熟石灰；③加盐酸；④过滤；⑤浓缩结晶。其先后顺序正确的是(

) A．②④⑤③①

B．③②④①⑤

C．③④②⑤①

D．②④③⑤①

答案

D 解析

由海水制备无水氯化镁，主要步骤是先将海水中的成分氯化镁转变为氢氧化镁即第②步，再过滤(④)，得到氢氧化镁，然后再用③加盐酸的方法，将其变为氯化镁溶液，再用⑤浓缩结晶，①在一定条件下脱水干燥即可得到无水氯化镁。

3．从海水中提取的溴占世界产溴量的1/3。已知溴水呈橙色，将SO2气体通入溴水时，可以观察到溴水褪色。则下列有关叙述中正确的是(

) A．SO2使溴水褪色，显示了SO2的漂白性

B．SO2使溴水褪色，显示了SO2的氧化性

C．从溴水中提取单质溴，可以用乙醇进行萃取

D．从海水中提取溴过程中多次涉及了氧化还原反应

答案

D 解析

将SO2气体通入溴水时，发生反应Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4，显示了SO2的还原性，故A、B错；乙醇与水互溶，不能从溴水中萃取单质溴，C错；从海水中提取溴过程中的氯化过程、SO2吸收过程、再氯化过程都发生了氧化还原反应，D正确。

4．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考，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．CO2

C．空气

D．O2

E．水蒸气

答案

(1)沉淀Mg2[或制取Mg(OH)2]

＋(2)贝壳

(3)A 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＋＋＋＋石灰乳提供的OH反应生成Mg(OH)2沉淀。

(2)“充分利用当地海洋化学资源”，它暗示的是利用贝壳中的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。

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