最后更新: 2025-10-26 09:20 查看: 53 次纠错评论(0) 课件开VIP

氯气

## 粗盐提纯
海水中含有大量的盐，故密度较大、味道咸涩。海水中所含的盐大部分是**氯化钠**，氯化钠是生活中和人体内不可或缺的，也被用来生产氯气以及各种含氯和含钠的制品，为人们的日常生活和化学工业提供重要的原料。
把海水引入盐田，利用日光、风力来蒸发浓缩海水，并进一步使食盐结晶出来，这种方法叫做**盐田法**。

![图片](/uploads/2025-10/d240fb.jpg){width=400px}
盐长

通常粗盐中氯化钠含量约为 $80 \% \sim 90 \%$ ，还有 $\mathrm{MgCl}_2$ 、 $\mathrm{MgSO}_4 、 \mathrm{CaSO}_4 、 \mathrm{NaBr}$ 等一些其他的盐以及泥沙等难溶性物质。粗盐中的难溶性杂质可以通过过滤除去，而 $\mathrm{Ca}^{2+} 、 \mathrm{Mg}^{2+} 、 \mathrm{SO}_4^{2-}$ 等可溶性杂质，可通过加人某些化学物质使其生成沉淀后再过滤除去。除去杂质后的氯化钠纯度较高，常称为**精盐**。

## 电解饱和食盐水
从海水晒盐到粗盐提纯，海水中的氯化钠被提取和纯化了。那么，精盐中的氯又是如何转化为氯单质及含氯化合物的呢？19世纪以后，科学家通过电解饱和食盐水制取了氯气，并实现了工业化生产
### 电解饱和食盐水

**实验**：在图2.3所示装置中注入饱和食盐水，并在两边各滴入几滴酚酞试液。以 两个石墨棒作电极，分别与电源的正、负极相连。U形管的阳极（与电源正极相连）处支管用三通阀分别连接针筒和导气管，导气管出口没入淀粉碘化钾溶液；U形管的阴极（与电源负极相连）处支管与针头相连。接通电源后，观察实验现象。
通电后注意适当抽动注射器调整液面高度，并观察注射器内收集到的气体颜色。打开阳极连接的阀门，将阳极产生的气体通入淀粉碘化钾溶液；在针尖处点燃气体。

![图片](/uploads/2025-10/be45a4.jpg)
 
 电解饱和食盐水的化学方程式为：

$$
2 \mathrm{NaCl}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \xlongequal{\text { 通直流电 }} 2 \mathrm{NaOH}+\mathrm{H}_2 \uparrow+\mathrm{Cl}_2 \uparrow
$$

电解饱和食盐水时，阳极上产生**氯气**，阴极上产生**氢气**，电解后还有**氢氧化钠**生成。

用电解饱和食盐水的方法制备氯气、氢气和烧碱，并以它们为原料生产一系列含氯、含钠化工产品的工业称为**氯碱工业**。

电解食盐水的电极反应式
阳极的电极反应式：

$$
2 \mathrm{Cl}^{-}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Cl}_2
$$

阴极的电极反应式：

$$
2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{H}_2+2 \mathrm{OH}^{-}
$$

### 作用
氯碱工业的电能消耗很多，许多企业都重视选用先进的设备来减少电能消耗。例如，20世纪70年代出现了离子膜电解法的工业装置。该工业装置得到的产品质量高，
电能消耗少，对环境污染小，其中离子膜的性能是关键。不断提高离子膜的性能、降低成本仍是当今研究发展的方向。氯碱工业的产品广泛应用于化工、冶金、造纸、纺织、石油等工业以及公用事业中。

![图片](/uploads/2025-10/4184a4.jpg)

## 氯气的性质
氯气是氯碱工业的重要产品之一。氯气具有哪些物理性质和化学性质？重要的含氯化合物有哪些性质，又是如何制备的？让我们通过实验探究，来认识氯气的化学性质及其应用。
氯气分子是由两个氯原子构成的双原子分子。通常情况下，氯气呈黄绿色。**氯气有毒，大量吸入会中毒致死**。

> 氯气$20^{\circ} \mathrm{C}$ 时氯气的密度为 $2.98 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ ，比空气重。压强为 $1 \times 10^5 \mathrm{~Pa}$ 时，冷却到 $-34.6^{\circ} \mathrm{C}$ ，氯气会变成液氯。液氯继续冷却到 $-101^{\circ} \mathrm{C}$ ，变成固态氯。

### 氯气的化学性质

1. 氯气与铁的反应
将细铁丝缠绕在一低压发热器上，通过橡皮塞插入盛满氯气的集气瓶中，接通电源给发热器通电加热，待反应后关闭电源。通过注射器向集气瓶中注入少量水，振荡后观察溶液颜色

![图片](/uploads/2025-10/7035f5.jpg)

2. 氯气与氢气的反应
实验室制备氢气，验纯后点燃纯净的氢气，然后将导管伸入盛满氯气的集气瓶中，观察现象。片刻后熄灭火焰，向集气瓶内注入少量蒸馏水，再滴入几滴紫色石蕊试液后观察现象。

![图片](/uploads/2025-10/91bacc.jpg)

3. 氯气与水的反应
用50 mL注射器收集40 mL氯气，注射器通过阀门与针头连接。打开阀门吸入10 mL蒸馏水后关闭，充分振荡后静置，观察现象。在试管中加入约2 mL 紫色石蕊试液，将注射器内溶液小心地注射到试管中，观察现象。
 
 ![图片](/uploads/2025-10/9d77ff.jpg)
 
4. 氯气与氢氧化钠的反应
用50 mL注射器收集40 mL氯气，注射器通过阀门与针头连接。打开阀
门吸入10 mL氢氧化钠溶液后关闭，充分振荡后静置，观察现象。

实验表明，氯气的化学性质很活泼，可以与许多物质发生反应。

氯气除了与铁反应生成氯化铁之外，还能与大多数金属单质直接化合，生成金属氯化物。例如，金属钠、铜等都能在氯气中燃烧。

$$
\begin{gathered}
2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{Cl}_2 \xlongequal{\text { 点燃 }} 2 \mathrm{FeCl}_3 \\
2 \mathrm{Na}+\mathrm{Cl}_2 \xlongequal{\text { 点燃 }}=\mathrm{2NaCl} \\
\mathrm{Cu}+\mathrm{Cl}_2 \xlongequal{\text { 点燃 }} \mathrm{CuCl}_2
\end{gathered}
$$

氯气也能与许多非金属单质化合。例如，氢气在氯气中燃烧生成氯化氢；氯气和氢气的混合气体受到强光照射，两者迅速化合，放出大量的热，发生爆炸，也生成氯化氢气体。

$$
\mathrm{H}_2+\mathrm{Cl}_2 \xlongequal{\text { 点燃或光照 }} 2 \mathrm{HCl}
$$

**氯化氢是有刺激性气味的无色气体，极易溶于水**。工业上常用氯气在氢气中燃烧（图 2.9 ）来制备氯化氢，氯化氢溶于水后得到的溶液就是**盐酸**。

![图片](/uploads/2025-10/190180.jpg)

## 探究氯气与水反
实验：取两个集气瓶，用排气法收集干燥的氯气至满。向两个集气瓶中分别放入干燥的有色纸条和湿润的有色纸条（或有色布条），观察现象并推断结论。

![图片](/uploads/2025-10/be3ce1.jpg)

实验表明，氯气不能使干燥的有色纸条褪色，但可以使湿润的有色纸条褪色，说明使有色纸条褪色的应该是氯气与水反应后产生的新物质，这种物质就是**次氯酸**。

氯气可以溶解在水中，所得溶液称为**氯水**。常温下， 1 体积水能溶解约 2 体积氯气，氯水中的部分氯气能与水发生反应，生成盐酸和次氯酸（ HClO ）。

$$
\mathrm{Cl}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{HCl}+\mathrm{HClO}
$$

氯气可与氢氧化钠溶液发生反应，生成氯化钠、次氯酸钠和水。

$$
\mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{NaOH}=\mathrm{NaCl}+\mathrm{NaClO}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

> 可逆反应 通常人们把朝生成物方向进行的反应叫做正反应，朝反应物方向进行的反应叫做逆反应。常温时，氯气与水发生正反应的同时还有逆反应发生，这种反应叫做可逆反应。在化学方程式里，用 ＂$\Longleftrightarrow$＂代替＂=＂来表示可逆反应。

## 次氯酸和次氯酸盐

次氯酸和次氯酸盐都是重要的含氯化合物。次氯酸是一种很弱的酸，具有强氧化性，**能杀死水中的细菌，起到消毒作用**。次氯酸能使染料和有机色质褪色，**可用作棉、麻和纸张等的漂白剂**。次氯酸不稳定，易分解生成氧气，故一般只存在于稀溶液中。在阳光的照射下，次氯酸的分解速度加快。

$$
2 \mathrm{HClO} \xlongequal{\text { 光照 }} 2 \mathrm{HCl}+\mathrm{O}_2 \uparrow
$$

次氯酸盐一般是用氯气与碱反应得到的。由于次氯酸盐比次氯酸稳定，因此更容易保存。工业中，用氯气与氢氧化钠生产次氯酸钠，用氯气与消石灰制成漂白粉，这些制品常用作漂白剂和消毒剂。

$$
2 \mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2=\mathrm{CaCl}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO})_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

漂白粉是次氯酸钙、氯化钙、氢氧化钙等所组成的混合物（有效成分是次氯酸钙），被广泛地用作饮用水、污水、排泄物及环境的消毒剂，也可用于游泳池等公共场所的消毒。如果漂白粉遇酸性溶液或露置在空气中，其中的次氯酸钙会与酸或与水蒸气和二氧化碳发生反应，生成稳定性差的次氯酸，从而使漂白粉失效，因此漂白粉应密封保存。

$$
\begin{gathered}
\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO})_2+2 \mathrm{HCl}=\mathrm{CaCl}_2+2 \mathrm{HClO} \\
\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO})_2+\mathrm{CO}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}=\mathrm{CaCO}_3+2 \mathrm{HClO}
\end{gathered}
$$

> 有效氯 漂白粉的效能是以有效氯的含量来衡量的。有效氯是指漂白粉与浓盐酸反应生成氯气的质量与漂白粉质量之比。工业生产的漂白粉，有效氯—般约为 $35 \%$ 。漂粉精是用氯气与氢氧化钙溶液反应得到的，其有效氯可高达 70\％。

#### 新一代绿色消毒剂——二氧化氯
用氯气进行饮用水消毒时，水中的有机化合物会与氯气发生反应，生成含氯有机化合物，这种有机化合物中的氯会在人体内积留产生慢性累积中毒，还会诱发癌症。因此，人们研究并开发了新的自来水消毒剂，如二氧化氯（ $\mathrm{ClO}_2$ ）、臭氧等。

二氧化氯是一种有刺激性气味的黄绿色气体， 1 L 水中约能溶解 2.9 g 二氧化氯。它在水中的杀菌消毒能力强，持效久，受水体 pH 变化的影响小，一般无副作用。除用于杀菌消毒之外，还用于环保、灭藻、漂白、保鲜、除臭等。世界卫生组织和联合国粮食及农业组织将二氧化氯列为安全高效消毒剂。

`例`海水晒盐可得粗盐，除去粗盐中的杂质后得到精盐，电解精制的饱和食盐水又进一步得到氯气、氢气和烧碱等一系列工业产品。
（1）实验室里除去粗盐中 $\mathrm{Ca}^{2+} 、 \mathrm{Mg}^{2+} 、 \mathrm{SO}_4^{2-}$ 等可溶性杂质离子，用到的化学试剂有氯化钡溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液以及盐酸等，思考这些试剂加入的先后顺序。
（2）电解精制的饱和食盐水时消耗了 117 g 氯化钠。计算理论上得到的氯气体积（标准状况下）。

解：（1）选择沉淀剂时应先考虑加入的试剂能将杂质离子沉淀，同时不引入新的杂质离子，或者引入的离子在后续操作中容易除去。其次要考虑沉淀剂加入的顺序。
本例中，用过量的碳酸钠、氢氧化钠、氯化钡可分别沉淀除去 $\mathrm{Ca}^{2+} 、 \mathrm{Mg}^{2+}$ 和 $\mathrm{SO}_4^{2-}$ ，沉淀完全后过滤，在滤液中加入盐酸调节溶液呈中性。但应注意过量的试剂要在后续过程中能够除去，且不影响后续反应。
综上所述，下列几组试剂可供选择（含试剂及其加入顺序）： （1）氯化钡、氢氧化钠、碳酸钠、盐酸；（2）氢氧化钠、氯化钡、碳酸钠、盐酸；（3）氯化钡、碳酸钠、氢氧化钠、盐酸。

（2 ）$n(\mathrm{NaCl})=\frac{117 \mathrm{~g}}{58.5 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}=2 \mathrm{~mol}$

$$
\begin{aligned}
& 2 \mathrm{NaCl}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \xlongequal{\text { 通直流电 }} 2 \mathrm{NaOH}+\mathrm{H}_2 \uparrow+\mathrm{Cl}_2 \uparrow \\
& 2 \mathrm{~mol} & 22.4  L\\
& 2 \mathrm{~mol}  & V\left(\mathrm{Cl}_2\right)
\end{aligned}  
$$

$$
V\left(\mathrm{Cl}_2\right)=\frac{2 \mathrm{~mol} \times 22.4 \mathrm{~L}}{2 \mathrm{~mol}}=22.4 \mathrm{~L}
$$

总之，理论上得到氯气 22.4 L （标准状况下）。

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