专题2   从海水中获得的化学物质

第一单元   氯、溴、碘及其化合物

第1课时   氯气的生产原理

武进区洛阳高级中学  顾涛

【教学目标】

〖知识与技能〗

1．了解从海水中提取氯气的基本原理和方法。

2．掌握电解饱和食盐水的原理，了解工业上阳离子交换膜法电解食盐水的装置。

3．掌握实验室制备氯气的原料和原理、发生装置、净化装置等，并能从氧化还原反应角度分析反应。

〖过程与方法〗

1．充分利用实验现象、生产实践等引导学生发现问题、解决问题。

2．以探究活动为主线，不断发现问题，运用演示实验、交流讨论等学习方法，对学习素材进行比较分析与归纳概括，使学生从中不断获取新知。

3．通过引导学生观察、分析演示实验的现象，培养学生的观察、分析问题的能力。

4．通过小组讨论，表达自己的观点，逐步形成良好的学习习惯和学习方法。

〖情感态度与价值观〗

1．通过探究实验，了解实验探究的过程和一般方法，形成化学实验操作的基本技能，知道化学实验是研究和认识化学物质的重要途径。

2．通过认识氯气的工业生产原理及产品的利用，培养学生关注与化学有关的社会问题，感受化学对改善个人生活和促进社会发展的积极作用。

3．培养学生认真仔细、严谨求实的科学态度及探究精神，并培养学生形成通过实验来研究物质及其变化的科学方法。

【重点难点】

电解饱和食盐水实验；实验室制备氯气的装置和原理

【课前准备】

教师：①实验仪器Ⅰ：U形管、烧杯、试管、电源、酒精灯、导管等

     实验试剂：饱和食盐水、氢氧化钠溶液、淀粉碘化钾试纸、酚酞、铁棒、石墨棒等

②实验仪器Ⅱ：分液漏斗、圆底烧瓶、铁架台、石棉网、酒精灯、集气瓶、烧杯、导管、双孔橡皮塞等

     实验试剂：浓盐酸、二氧化锰、氢氧化钠溶液、浓硫酸、饱和食盐水等

③学生阅读资料：

学生：阅读资料，了解氯气的应用及氯元素的存在

【教学过程】

〖导入〗通过阅读资料，我们了解了氯气在社会生活生产中有广泛的应用，而且氯元素在自然界中储量丰富，主要存在于海水中，人们已经找到从海水中获取氯化钠，并通过氯化钠制得氯气的方法。

〖实验〗请同学们认真观察、记录并分析实验现象。

（1）接通电源，观察U形管内的变化。

（2）通电一段时间后，用小试管套住a管，收集U形管左端产生的气体。2min后，提起小试管，并迅速用拇指堵住试管口，移近点燃的酒精灯，松开拇指，观察现象。

（3）取一只小试管，用向上排空气法收集从b管导出的气体，并将湿润的淀粉碘化钾试纸放在试管口，观察现象。

（4）关闭电源，打开U形管两端的橡皮塞，分别向溶液中滴加1—2滴酚酞溶液，观察现象。

〖交流讨论〗

实验操作	实验现象	结论
１	左端有无色气体产生 右端有黄绿色气体产生	食盐水通电发生反应
２	左端气体点燃有轻微的爆鸣声	与电源负极相连的电极（阴极）产物为氢气
３	湿润的淀粉ＫＩ试纸变蓝	与电源正极相连的电极（阳极）产物为氯气
４	与电源负极相连的一端溶液变红色	电解后溶液呈碱性

〖实验结论〗

（1）两极均产生气泡，说明饱和食盐水在通电条件下发生反应。

（2）“噗”的轻微爆鸣声，说明产生可燃性气体——氢气。

（3）有黄绿色、刺激性气味的气体产生，并使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，说明产生氯气。

（4）铁棒一极附近出现红色，说明有碱性物质生成。

〖探究〗（1）饱和食盐水中有哪些离子？为什么？

（2）阴极产物为氢气，阳极产物为氯气，由此说明溶液中的离子是如何移动的？并发生怎样的反应？在这样的电解条件下，哪种阴离子容易失去电子？哪种阳离子容易得到电子？

〖分析总结〗（1）因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，微弱电离，因此在溶液里存在着Na⁺、H⁺、Cl^—、OH^—四种离子。

（2）①当接通电源后，带负电的OH^—和Cl^—向阳极（与直流电源的正极相连的电极）移动，带正电的Na⁺和H⁺向阴极（与直流电源的负极相连的电极）移动。②Cl^—比OH^—容易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出，使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。阳极反应（石墨棒）：2Cl^——2e^—=Cl₂↑（氧化反应）③H⁺比Na⁺容易得到电子，因而不断从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。阴极反应（铁棒）：2H⁺＋2e^—=H₂↑（还原反应） 阴极区里OH^—的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。

〖学生练习〗电解饱和食盐水：2NaCl＋2H₂OH₂↑＋Cl₂↑＋2NaOH

〖设疑〗在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl₂能反应生成NaClO，H₂和Cl₂混合遇火能发生爆炸。工业上如果要得到大量的氯气该怎么办呢？

〖介绍〗阳离子交换膜电解槽的简单构造：由阳极（金属钛网）、阴极（碳钢网）、离子交换膜（或石棉隔膜）、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。阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。

〖问题〗（1）阳离子交换膜具有怎样的特殊性质？

（2）阳离子交换膜主要起什么作用？

〖分析〗（1）阳离子交换膜具有很好的选择性，它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，即只允许Na⁺、H⁺通过，而Cl^—、OH^—和气体则不能通过。

（2）作用：①能防止阴极产生的H₂和阳极产生的Cl₂相混合而引起爆炸；②能避免Cl₂和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

〖练习〗工业上使用的原料粗盐中常含有泥沙、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、SO₄^2— 等杂质，在碱性溶液中会形成沉淀，损坏离子交换膜，所以必须要对粗盐水进行净化。其步骤包括：①过滤除去泥沙。②加入稍过量的BaCl₂（或氢氧化钡）溶液以除去SO₄^2—。③加入稍过量的Na₂CO₃溶液以除去Ca²⁺、Ba²⁺。④加入稍过量的NaOH溶液以除去Mg²⁺、Fe³⁺。⑤过滤以除去上述产生的沉淀。⑥加入盐酸，调整溶液的pH≈7。请填写合理的净化步骤     ①②③④⑤⑥或①④②③⑤⑥或①②④③⑤⑥    。

〖氯碱工业的概念〗工业上电解食盐水制得氯气，还得到氢气和氢氧化钠，它们都是重要的化工原料。以电解食盐水为基础制取氯气等产品的工业称为“氯碱工业”。

〖过渡〗知道了氯气的工业制备，那么是否知道氯气是如何发现的，在实验室又是如何制备的呢？

〖阅读教材〗化学史话：氯的发现

〖简述〗1774年，瑞典化学家舍勒把浓盐酸与软锰矿混合在一起加热，意外发现生成了一种黄绿色气体。他发现这种气体的水溶液略显酸性，并且还能使花朵、纸张、叶子等物质褪色，还能与金属物质发生化学反应。1810年，英国化学家戴维确认：这种气体是由一种元素组成的。他将这种元素命名为chlorine，希腊文意为“绿色的”。

〖演示实验〗氯气的实验室制法（引导学生观察实验，思考和总结氯气的实验室制法的原理、氯气的收集方法、尾气的吸收及整个实验装置。）

〖提问〗①实验室制备氯气用到哪些主要仪器？②反应原料是什么？③反应原理是如何的？ ④为什么实验室制取氯气与制O₂、制H₂的实验装置不同，和什么因素有关？⑤可以用什么方法收集气体？⑥实验室如何处理尾气？⑦制得的氯气中含有什么杂质？如何除去？

〖展示〗总结氯气的发生装置、收集装置、净化除杂装置，并同制备氢气、氧气的发生和收集装置进行比较。

〖讨论回答〗

①发生装置的主要仪器：分液漏斗、圆底烧瓶、铁架台（带铁夹、铁圈）、石棉网、酒精灯、双孔橡皮塞

②反应原料：浓盐酸（液体）、二氧化锰（固体）

说明：必须使用浓盐酸，因为稀盐酸的还原性比浓盐酸弱，不能被MnO₂氧化。

③反应原理：4HCl(浓)＋MnO₂MnCl₂＋2H₂O＋Cl₂↑

④发生装置：固体与液体加热制气体

⑤收集方法：向上排空气法或排饱和食盐水法

⑥尾气吸收：氢氧化钠溶液（2NaOH＋Cl₂ = NaCl＋NaClO＋H₂O）

⑦除杂干燥：制得的气体中含有氯化氢和水蒸气，气体先通入饱和食盐水中，除去氯化氢；再通入浓硫酸中，除去水蒸气；最后收集。

〖问题〗1、使用浓盐酸与足量的MnO₂共热制氯气，实际产生的氯气总比理论值低，其主要原因什么？

2、实验室用高锰酸钾制氧气，可采用什么试剂除去粘附在试管壁上的MnO2？

〖回答〗1、稀盐酸与MnO₂不反应，随着反应的进行，浓盐酸的浓度逐渐变小。

2、可用热的浓盐酸除去。

〖问题〗实验室还可以用强氧化剂高锰酸钾或氯酸钾等与浓盐酸反应制取氯气。分析反应，引导学生书写化学方程式。

〖讨论并练习〗2KMnO₄＋16HCl(浓)= 2KCl＋2MnCl₂＋5Cl₂↑＋8H₂O

KClO₃＋6HCl(浓)=KCl＋3Cl₂↑＋3H₂O

〖总结〗本节课主要内容：氯气的工业制法；氯气的实验室制备的原理及装置等。