Question

工業(yè)上電解飽和食鹽水能制取多種化工原料，其中部分原料可用于制備多晶硅．

（1）圖1是離子交換膜法（允許鈉離子通過，不允許氫氧根與氯離子通過）電解飽和食鹽水，電解槽陽極產(chǎn)生的氣體是

 

，NaOH溶液的出口為

 

（填字母），精制飽和食鹽水的進口為

 

（填字母），干燥塔中應使用的液體是

 

．
（2）多晶硅主要采用SiHCl₃還原工藝生產(chǎn)，其副產(chǎn)物SiCl₄的綜合利用受到廣泛關注．SiCl₄可制氣相白炭黑（與光導纖維主要原料相同），方法為高溫下SiCl₄、H₂、O₂反應，產(chǎn)物有兩種，化學方程式為

 

．SiCl₄可轉化為SiCl₃而循環(huán)使用．一定條件下，在20L恒容密閉容器中反應3SiCl₄（g）+2H₂（g）+Si（s）═
4SiHCl₃（g）達平衡后，H₂與SiHCl₃物質的量濃度分別為0.140mol/L和0.020mol/L，若H₂全部來源于離子交換膜法的電解產(chǎn)物，理論上需消耗NaCl的質量為

 

kg．
（3）如圖2，實驗室制備H₂和Cl₂通常采用下列反應：
Zn+H₂SO₄═ZnSO₄+H₂↑，MnO₂+4HCl（濃）

△   .

MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O
據(jù)此，從下列所給儀器裝置中（圖2）選擇制備并收集H₂的裝置

 

（填代號）和制備并收集干燥、純凈C1₂的裝置

 

（填代號）．
（4）采用無膜電解槽電解飽和食鹽水，可制取氯酸鈉，同時生成氫氣．現(xiàn)制得氯酸鈉213.0kg，則生成氫氣

 

m³（標準狀況）．（忽略可能存在的其他反應）

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計,電解原理

專題：實驗設計題,電化學專題

分析：（1）電解飽和食鹽時陽極陰離子Cl^-、OH^-放電，Cl^-的放電能力強于OH^-，陽極發(fā)生的方程式為：2Cl^--2e^-═Cl₂↑，陰極：2H⁺+2e^-═H₂↑；H₂、2NaOH在陰極，NaOH溶液的出口為a，Cl₂在陽極，精制飽和食鹽水從陽極進入，要干燥Cl₂需要用酸性干燥劑或中性干燥劑；
（2）SiCl₄與H₂和O₂反應，產(chǎn)物有兩種，光導纖維的主要成分是SiO₂，H、Cl元素必在另一產(chǎn)物中，H、Cl元素結合成HCl，然后配平即可；
利用三段分析法，根據(jù)平衡時H₂與SiHCl₃物質的量濃度，求出的起始物質的量，再根據(jù)2NaCl+2H₂O

電解  .

Cl₂↑+H₂↑+2NaOH，求出理論上消耗純NaCl的質量；
（3）根據(jù)反應物狀態(tài)和反應條件選取反應裝置，根據(jù)氣體的溶解性、密度選取收集裝置；
（4）根據(jù)得失電子守恒，NaCl轉化為NaClO₃所失去的電子等于H₂O轉化為H₂所得到的電子，由氯酸鈉的質量求出氯酸鈉的物質的量，進而求出NaCl轉化為NaClO₃所失去的電子的物質的量，最后求出生成氫氣在標準狀況下的體積．

解答： 解：（1）電解飽和食鹽時陽極陰離子Cl^-、OH^-放電，Cl^-的放電能力強于OH^-，
陽極：2Cl^--2e^-═Cl₂↑，
陰極：2H⁺+2e^-═H₂↑；
總反應為：2NaCl+2H₂O

電解  .

Cl₂↑+H₂↑+2NaOH，
陰極：氫離子放電，產(chǎn)生氫氣．致使氫氧根離子濃度增大，鈉離子和氫氧根離子的增大都發(fā)生在陰極室，所以a出口導出的液體是氫氧化鈉溶液；
陽極：氯離子放電，產(chǎn)生氯氣，致使鈉離子濃度升高，通過陽離子交換膜到達陰極室．所以d入口應加入精制飽和食鹽水；
要干燥Cl₂需要用酸性干燥劑濃硫酸或P₂O₅等，中性干燥劑無水CaCl₂；
故答案為：氯氣；a；d；濃硫酸；
（2）SiCl₄與H₂和O₂反應，產(chǎn)物有兩種，光導纖維的主要成分是SiO₂，H、Cl元素必在另一產(chǎn)物中，H、Cl元素結合成HCl，然后配平即可，發(fā)生的化學方程式為：SiCl₄+2H₂+O₂

高溫  .

SiO₂+4HCl；
             3SiCl₄（g）+2H₂（g）+Si（s）?4SiHCl₃（g）
起始量（mol）             n                0
變化量（mol）             2x              4x
平衡量（mol）            n-2x             4x
4x=0.020mol/L×20L=0.4mol，x=0.1mol，
n-2x=0.140mol/L×20L=2.8mol，n=3.0mol，
由2NaCl+2H₂O

電解  .

Cl₂↑+H₂↑+2NaOH，
  2mol                    1mol
  6mol                    3mol
m（NaCl）=6mol×58.5g/mol=350g=0.35kg
故答案為：SiCl₄+2H₂+O₂

高溫  .

SiO₂+4HCl；0.35；
（3）實驗室用鋅和稀硫酸制取氫氣，該反應是固液混合態(tài)且不需要加熱，所以不需要酒精燈，氫氣不易溶于水且密度小于空氣密度，所以可以采用向下排空氣法或排水法收集，故選e；實驗室制取氯氣是固液混合態(tài)且需要加熱，所以需要酒精燈，氯氣能溶于水且密度大于空氣，所以采用向上排空氣法收集，故選d；
故答案為：e、d；
（4）由NaCl轉化為NaClO₃，失去電子數(shù)為6，H₂O轉化為H₂，得到的電子數(shù)為2，
設產(chǎn)生的H₂體積為Vm³，
由得失電子守恒得：6×

213×103

116.5

mol=2×

103V

22.4

mol/L，則V=134.4L；
故答案為：134.4．

點評：本題考查電解原理的應用、氯堿工業(yè)、化學平衡的計算、化學方程式書寫、化學計算、儀器裝置的選取等知識點，注意氧化還原反應中電子守恒法的運用，題目難度中等，側重于考查學生的實驗能力和對基礎知識的綜合應用能力．