鲁科版必修2第3节 化学反应的利用教案

《化学反应的利用》教案

化学反应有新物质生成，人们可以利用化学反应来制备所需要的物质。而且一种物质可用多种方法制备，实验室制取物质时考虑简便、快速的原则，工业生产上考虑经济效益，实验室和工业生产上可能采用不同的方法制备同种物质。化学家利用化学反应不但可以制造出自然界中存在的物质，还可以设计、合成出自然界中不存在但可被人们利用的新物质。

　　化学反应伴随着能量变化，人们可以充分利用化学能。根据吸热反应和放热反应可进行化学能与热能的转化，原电池和电解池是化学能与电能转化的直接应用，化学能和光能之间的转化也颇具前景。化学反应与人类文明和社会发展有着十分密切的关系。

　　【重点难点】

　　重点：利用化学反应制备物质，化学反应伴随着能量变化以及能量的利用。

　　难点：比较不同物质的制备方法，化学能与电能、热能、光能的转化。

　　【知识讲解】

　　我们已学过了多种多样的化学反应，为了研究方便，可以从不同角度对它们进行分类：从反应物和生成物的物质类别可分为化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应；根据反应进行的程度可分为完全反应和可逆反应；根据反应中是否有电子得失或偏移分为氧化还原反应和非氧化还原反应；根据反应中能量的变化分为吸热反应和放热反应。面对这些类型不同的繁杂的反应，人们逐渐从盲目的探索反应转向理性分析反应，并且逐步能科学地创造适宜条件来调控化学反应，为生产服务，工业生产中利用化学反应主要有两个大的方面：一是制备新物质，二是利用化学反应伴随的能量变化为人类提供能源。

　　一、利用化学反应制备新物质

　　1、实验室和工业生产制取物质的异同点

　　【活动·探究】Cl2的制取

　　（1）Cl2的实验室制法

　　试剂：软锰矿石（MnO2）、浓盐酸、饱和食盐水、NaOH溶液

　　仪器：烧瓶、分液漏斗、铁架台（带铁圈、石棉网）、酒精灯、双孔橡皮塞、导气管、集气瓶、洗气瓶、烧杯等。

　　操作：①连接装置：根据酒精灯外焰的高度固定铁圈，放上石棉网，然后固定烧瓶。双孔橡皮塞分别插入分液漏斗和导气管，然后连接集气瓶和烧杯（分别用于收集和尾气处理）。

　　②检验装置气密性。

　　③在烧瓶中放入软锰矿（或MnO2），分液漏斗中注入浓盐酸，从分液漏斗中向烧瓶中注入浓盐酸后加热烧瓶，反应发生。

　　④收集气体：集气瓶收集到黄绿色气体。

　　⑤检验气体：可用湿润的淀粉KI试纸检验Cl2。

　　以上是实验室制取Cl2的方法，其原理方程式为：

　　MnO2＋4HCl（浓）MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

　　该反应中必须用浓盐酸，稀盐酸中的Cl-很难被氧化，MnO2为氧化剂，可以用KMnO4、KClO3、NaClO等氧化剂代替，反应分别为：

　　2KMnO4＋16HCl（浓）＝2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O

　　KClO3＋6HCl（浓）＝KCl＋3Cl2↑＋3H2O

　　NaClO＋2HCl（浓）＝NaCl＋Cl2↑＋H2O

　　（2）Cl2的工业制法

　　实验室制Cl2的这些方法快速、简便，但药品成本高。工业生产中制取大量Cl2，讲究的是经济性。目前工业生产中是用价格低廉的NaCl为原料制取的，采用的是电解饱和食盐水法。

　　电解食盐水的原理可用下图表示，其中a极为阳极（与电源正极相连的电极），b极为阴极（与电源负极相连的电极）。

　　电极反应分别为：

　　阳极：2Cl-―2e-＝Cl2↑，阳极产生的气体能够使湿润的淀粉KI试纸变蓝。

　　阴极：2H+＋2e-＝H2↑，滴加酚酞后，阴极附近溶液变红。

　　总反应为：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

　　利用电解食盐水的方法，可生产出大量Cl2，同时得到H2和NaOH，故该法也是工业生产烧碱的方法，若电解熔融的NaCl，可生产Cl2和Na。

　　对比Cl2的实验室制法和工业制法，可知反应原理都是－1价Cl被氧化为0价，由于出发点不同，采用了不同的方法，这是科学家经过长时间的探索，确定出来的比较好的方法。

　　2、常见物质制备的原理方程式

　　（1）常见气体的制备

　　H2：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑

　　 　 2H2O2H2↑＋O2↑

　　O2：2KClO32KCl＋3O2↑

　　　　2KMnO4K2MnO4＋MnO2＋O2↑

　　　　2H2O22H2O＋O2↑

　　N2：NaNO2＋NH4ClNaCl＋N2↑＋2H2O（实验室制法）

　　O2、N2的工业制法都是分离液态空气。

　　HCl：2NaCl＋H2SO4（浓）Na2SO4＋2HCl↑

　　　　 H2＋Cl22HCl

　　H2S：FeS＋H2SO4＝FeSO4＋H2S↑

　　NH3：N2＋3H22NH3

　　SO2：Na2SO3＋H2SO4＝Na2SO4＋SO2↑＋H2O

　　CO2：CaCO3＋2HCl＝CaCl2＋H2O＋CO2↑

　　　　 CaCO3CaO＋CO2↑

　　CH4：CH3COONa＋NaOHNa2CO3＋CH4↑

　　C2H4：CH3CH2OHCH2＝CH2↑＋H2O

　　C2H2：CaC2＋2H2O→Ca（OH）2＋C2H2↑

　　（2）常见金属的冶炼

　　Na：2NaCl（熔融）2Na＋Cl2↑

　　Mg：MgCl2（熔融）Mg＋Cl2↑

　　Al：2Al2O3（熔融）4Al＋3O2↑

　　Fe：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

　　Cu：Fe＋CuSO4＝Cu＋FeSO4

　　（3）常见化合物的制备

　　NaOH：2NaCl＋2H2O2NaOH ＋H2↑＋Cl2↑

　　Na2CO3：NaCl＋NH3＋H2O＋CO2＝NaHCO3＋NH4Cl

　　　　　 2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑

　　H2SO4：4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2

　　　　　 2SO2＋O22SO3

　　　　　 SO3＋H2O＝H2SO4

　　HNO3：4NH3＋5O24NO＋6H2O

　　　　　2NO＋O2＝2NO2

　　　　　3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO

　　3、利用化学反应设计、合成新物质

　　随着科学技术的不断进步，科学家们已经能够合成出许多自然界里不存在的物质，如研制艾滋病病毒蛋白酶抑制剂、抗击“非典”药物、治疗“禽流感”药物等。化学科学中最有创造性的工作就是设计和制备新物质，为人类造福。

　　现代理论化学方法和计算机技术的发展，使分子设计成为现实，就是从需要的性能出发，设计出具有某种性能的结构，设法合成所需要的产物。尤其是有机化学中分子设计运用的范围较广，具有较明显的成效。

　　二、化学反应为人类提供能源

　　1、化学能与热能

　　常见的化学反应为吸热反应和放热反应两大类。把放热反应放出的热量利用起来，就可以使化学能成为能量的主要来源。石油、煤和天然气是主要的化石燃料。但由于这些燃料具有不可再生性，且贮量有限，能源危机已成为全球性的问题。如何有效利用能源及开发新能源，是能源领域研究的重要内容之一，其中核能和太阳能是最具潜力的能源。

　　2、化学能与电能

　　（1）化学能转变为电能的装置：原电池

　　【实验·探究】原电池的工作原理

　　实验：如下图所示，将Cu片、Zn片插入稀H2SO4中，然后用导线将Cu片、Zn片连接，并接入电流表。

　　现象：Zn片逐渐溶解，Cu片上有气泡冒出，电流表指针发生偏转。

　　分析：Zn片溶解，说明Zn失电子生成Zn2+，Cu片上有气泡产生，是酸中电离出的H+得电子生成H2。电流表指针发生偏转，说明形成了电流。也就是说，Zn失电子，H+得电子，发生了电子的得失，整套装置构成了闭合回路，电子定向移动，形成了电流。

　　结论：以上装置是通过氧化还原反应将化学能转变成了电能，该装置就是原电池。

　　由以上可知，原电池的构成要素为：两个电极（其中失电子的电极为负极，得电子的电极为正极）、电解质溶液和导线 （构成闭合回路）。

　　上述原电池发生的电极反应为：

　　负极：Zn－2e-=Zn2+

　　正极：2H+＋2e-＝H2↑

　　总反应为：Zn＋2H+＝Zn2+＋H2↑

　　根据原电池的工作原理和构成要素，科学家们制成了多种电池。有普通的锌锰干电池、蓄电池、燃料电池等。其中蓄电池有铅蓄电池、锂电池、镍氢电池等，可以放电和充电，应用较广。燃料电池是目前效果较好的电池，常见的有氢氧燃料电池、甲烷氧燃料电池等，它们具有能量转换效率高、能长时间提供电能等优点而应用于航天和军事领域，如“神舟六号”飞船中就用的是燃料电池。

　　（2）电能转变为化学能的装置：电解池

　　利用电池放出的能量可进行电解质的电解，生成所需要的物质。如工业生产中是用电解饱和食盐水的方法生产H2、Cl2、NaOH。利用电解的方法，可把一些不能自发进行的反应，通过通电的方式，让反应能够发生。

　　3、化学能与光能、转化

　　可燃物燃烧时除放出能量外，往往伴随着发光现象，这就是化学能转变为热能和光能。植物的光合作用是光能转变为化学能的典型例子。化学能与光能的转化应用目前还处于初级阶段，还没有化学能与热能、电能转化应用的广泛。但化学能与光能的转化具有广阔的发展前景。如果能够把太阳能的光能充分利用起来，能源危机问题就可迎刃而解。

　　化学反应与人类文明和社会发展有着十分密切的关系。人们利用化学反应，制造出了丰富多彩的物质，提供了人们赖以生存的能量。同时在运用化学反应的过程中，摸索出了更多的化学反应规律，使化学知识更加系统化，有助于指导人们更加科学地设计、合成未知物。

　　【例题分析】

　　例1、实验室是用二氧化锰与浓盐酸反应制备干燥纯净的氯气。下图是一个学生设计的实验装置图，试指出错误并改正。

　　解析：本题是一道关于实验室用二氧化锰与浓盐酸共热制取干燥纯净的氯气，再处理尾气的综合题。解题的关键是要弄清二氧化锰与浓盐酸共热时，除了产生氯气外，还会有一些氯化氢、水蒸气与氯气一同出来。

　　根据本题实验装置，水蒸气可以用浓硫酸吸收，且干燥装置应在收集氯气的前一步；氯化氢极易溶于水，可以用水来吸收，吸收装置应放在干燥装置之前； 多余的氯气用氢氧化钠溶液吸收，一般不用氢氧化钙溶液吸收，因为氢氧化钙在水中的溶解度很小，可能导致氯气吸收不全。仔细观察装置图还会发现，盛浓硫酸和水的两个广口瓶中的导气管所伸的位置也有错误，应该是广口瓶中的进气管要伸到瓶底附近，出气管伸到刚露出胶塞一点即可。

　　答案：本题中错误有以下几点：

　　①盛装浓硫酸和水的两个广口瓶中的导气管的位置放错，应使广口瓶中进气管伸到瓶底附近，出气管伸到出胶塞一点。

　　②浓硫酸和水的位置放错，应是水放在浓硫酸之前。

　　③一般不用Ca（OH）2溶液吸收氯气，应改用NaOH溶液吸收多余氯气。

　　例2、请用下图所示仪器装置设计一个包括：电解饱和食盐水并测定电解时产生的氢气的体积和检验氯气的氧化性的实验装置。

　　（1）所选仪器连接时，各接口的顺序是（填各接口的代号字母）：A接　　　、　　　　接　　　；

B接　　　、　　　接　　　。

　　（2）实验时，装置中的石墨电极接电源的　　　极，所发生的反应式为　　　；铁电极接电源的　　　　极，所发生的反应式为　　　　　；此电解总反应方程式为　　　　　　。

　　（3）实验测得产生的氢气体积（已折算成标准状况）为5．60mL，电解后溶液的体积恰好为50．0mL，则溶液的pH值为　　　　　　。

　　解析：根据电解饱和食盐水阳极所发生的反应式：2Cl-―2e＝Cl2，为防止电极被腐蚀，实验中一般选用石墨作阳极。阴极发生的是水电离出的H+离子被还原，2H+＋2e＝H2↑，从而破坏水的电离平衡，在阴极区域里形成氢氧化钠，显碱性，阴极通常使用铁电极。电解的总反应方程式为：

　　2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

　　原题U型管反应器中的两个电极未限定哪个是阳极或阴极，可任意选用。而反应器两边连接哪些仪器及其连接顺序，取决于A、B两端分别为哪种电极、电极产物和实验要求。

　　设A端电极为铁质阴极，B端电极为为石墨正极，则反应器两边所选用的各仪器接口连接顺序为A接贮气瓶的G→F，把水挤入量筒中的H导管，用量筒测量出排出的水量，以测定H2产生的体积。B接洗气瓶的D→E，生成的Cl2在洗气瓶里氧化淀粉KI溶液，以证明其氧化性，多余的Cl2通入烧杯里的C导管，借助氢氧化钠溶液吸收Cl2，防止污染大气。

　　已知电解产生H25．60mL，相当于

　　2NaOH＋2H2O＝2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

　　　　　　　　　2mol　1mol

　　　　　　　　　x　　 0．00025mol

　　x＝2×0．00025mol＝0．0005mol

　　［OH-］＝

　　pOH＝2 　　∴pH＝14－2＝12

　　答案：（1）A接G、F接H；B接E、D接C

　　（2）正极，2Cl-―2e＝Cl2↑；

　　负极：2H+＋2e＝H2↑，

　　2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

　　（3）pH＝12

　　【达标练习】

　　1、按下列实验方法制备气体，合理又实用的是（ 　　）

　　A、锌粒与稀硝酸反应制备氢气

　　B、向饱和氯化钠溶液中滴加浓硫酸制备HCl

　　C、亚硫酸钠与浓硫酸反应制备SO2

　　D、大理石与浓硫酸反应制备CO2

　　2、下列反应中，调节反应物用量或浓度不会改变反应产物的是（　 ）

　　A、乙烯在氧气中燃烧　　　　　B、铁在硫蒸气中燃烧

　　C、铜加入硝酸中　　　　　　　D、溴化亚铁溶液中通入氯气

　　3、使用化学手段，可以消除某些环境污染，下列主要依靠化学手段消除环境无污染的是（　 ）

　　A、在燃烧煤中添加氧化钙　　　　　B、将某些废旧塑料熔化后重新成型

　　C、用多孔吸附剂清除水面油污　　　D、把放射性核废料深埋于地下岩层

　　4、某制药厂尾气中含少量SO2气体，一般用NaOH溶液或氨水吸收，以防污染环境，分别为0．1mol·L-1的NaOH溶液或同浓度的氨水处理相同量的尾气，两种方法所需吸收液的体积关系是（　　 ）

　　A、NaOH溶液的体积大于氨水

　　B、NaOH溶液的体积等于氨水

　　C、NaOH溶液的体积小于氨水

　　D、无法判断

　　5、氮气与其他单质化合一般需高温，有时还需高压等条件，但金属锂在常温、常压下就能与氮气化合生成氮化锂，这是因为（　 ）

　　①此反应可能是吸热反应；②此反应可能是放热反应；③此反应可能是氮分子不必先分解为原子；

　　④此反应前可能氮分子先分解成原子。

　　A、①②　　　　　B、②④　　　　　C、②③　　　　　D、①④

　　6、石灰石是许多工业的原料，但制取下列物质不需用石灰石的是（　 ）

　　A、制漂白粉　　　　　B、制水泥　　　　　C、制玻璃　　　　　D、制烧碱

　　7、在一定条件下CO和CH4燃烧的热化学方程式分别如下：

　　CO（气）＋O2（气）＝2CO2（气）； 　　 　　　ΔH＝－566kJ·mol-1

　　CH4（气）＋2O2（气）＝CO2（气）＋2H2O（液）； ΔH＝－890kJ·mol-1

　　由1molCO和3molCH4组成的混合气体，在该条件下完全燃烧时释放的热量为（　 ）

　　A、2953kJ　　　　B、3236kJ　　　　C、3867kJ　　　　D、2912kJ

　　8、下列物质加入水中显著放热的是（　 ）

　　A、固体NaOH　　　　B、熟石灰　　　　C、无水乙醇　　　　D、固体NH4NO3

　　9、1993年的世界10大科技新闻称，中国学者徐志傅和美国科学家穆尔共同合成了世界上最大的碳氢分子，其中一个分子由1134个碳原子和1146个氢原子构成。关于此物质，下列说法错误的是（　 ）

　　A、属于烃类化合物

　　B、具有类似金刚石的硬度

　　C、在常温下呈固状

　　D、能在空气中燃烧

　　10、根据金属活动性顺序表，Cu不能发生：Cu＋2H2O＝Cu（OH）2＋H2↑的反应。但选择恰当电极材料和电解质溶液进行电解，这个反应就能变为现实。下列四组电极和电解液中，能实现该反应最为恰当的是（　）

　　11、下列六种工业生产中：①用海水为原料制取镁；②制硅酸盐水泥；③制普通玻璃；④冶炼生铁；⑤制漂白粉；⑥接触法制硫酸，要以石灰石作为一种原料的是（　　 ）

　　A、①②③④⑤　　　　B、②③④⑤⑥　　　C、①②③⑤⑥　　　D、①②③④⑤⑥

　　12、有人说：“电解水生成H2和O2，H2在O2中点燃生成H2O，所以说2H2O2H2＋O2是可逆反应。”你认为这种说法对吗？为什么？

　　13、某课外活动小组利用下图所示装置制到氯气。提供的试剂有：浓盐酸、饱和食盐水、氢氧化钠溶液、高锰酸钾固体。反应的化学方程式为：2KMnO4＋16HCl（浓）＝2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O

　　（1）装置H中盛放的试剂为　　　　　。

　　（2）尾气处理时关闭弹簧夹a和弹簧夹　　　　　　　，打开弹簧夹　　　　　。

　　（3）处理尾气时，发生反应的化学方程式是　　　　　　。

　　（4）用含0．032molHCl的浓盐酸跟足量高锰酸钾固体反应，产生氯气的物质的量应　　　　（填“大于、等于或小于”）0．01mol。

　　【参考答案】

　　1、C；2、B；3、A；4、B；5、C；6、D；7、B；8、A；9、B；10、B；11、A；

　　12、这种说法错误。H2和O2生成H2O是在点燃的条件下进行，H2O分解成H2和O2是在通电的条件下进行。它们不能在同一条件下同时发生，不是可逆反应。

　　13、（1）饱和食盐水；（2）b；c

　　（3）Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O；（4）小于