Question

19．用二氧化氯（ClO₂）、鐵酸鈉（Na₂FeO₄摩爾質量為166g/mol）等新型凈水劑替代傳統的凈水劑Cl₂對淡水進行消毒是城市飲用水處理新技術．ClO₂和Na₂FeO₄在水處理過程中分別被還原為Cl^-和Fe³⁺．
（1）如果以單位質量的氧化劑所得到的電子數來表示消毒效率，那么，ClO₂、Na₂FeO₄、Cl₂三種消毒殺菌劑的消毒效率由大到小的順序是ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄．
（2）Na₂FeO₄溶于水會放出一種無色無味氣體，其殺菌消毒、吸附水中的懸浮雜質的原理可用離子方程式表示為4FeO₄^2-+10H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑．
（3）工業以CH₃OH與NaClO₃為原料在酸性條件下制取ClO₂，同時產生CO₂氣體，已知該反應分為兩步進行，第一步為2ClO₃^-+2Cl^-+4H⁺=2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O．
①寫出第二步反應的離子方程式CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺．
②工業生產時需在反應物中加少量Cl^-，其作用是催化劑．
③生產中會發生副反應ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O（未配平），若測得反應后的混合氣體中Cl₂的體積分數為3/73，則起始投料時CH₃OH與NaClO₃的物質的量之比為1：6.1．
（4）已知二氧化氯是一種黃綠色有刺激性氣味的氣體，其熔點為-59℃，沸點為11.0℃，易溶于水．ClO₂也可以看做是亞氯酸（HClO₂）和氯酸（HClO₃）的混合酸酐．工業上用稍潮濕的KClO₃和草酸在60℃時反應制得．某學生用如圖所示的裝置模擬工業制取及收集ClO₂，其中A為ClO₂的發生裝置，B為ClO₂的凝集裝置，C為尾氣吸收裝置．請問：
①A部分還應添加溫度控制（如水浴加熱）裝置，B部分還應補充什么裝置（冰水）冷凝；
②C中應裝的試劑為NaOH溶液．C中發生反應的化學方程式為：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據取1molClO₂、Cl₂、Na₂FeO₄，分別計算在氧化還原反應中元素化合價變化數目判斷解答；
（2）Na₂FeO₄把H₂O氧化為O₂，氧氣殺菌消毒，它本身被還原為Fe3⁺．Fe³⁺水解產生Fe（OH）₃膠體吸附水中的懸浮物質．從而凈化了水，據此寫出反應的離子方程式；
（3）①甲醇與氯氣在水溶液中發生氧化還原反應生成氯化氫和二氧化碳；
②由①中的兩個反應方程式可以看出若轉移相同的電子，Cl-的消耗與產生量相等，結合催化劑的概念解答；
③將第一步與第二步的方程式疊加可得總方程式：6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O．將副反應ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O配平可得：ClO₃^-+5Cl^-+6H⁺=3Cl₂↑+3H₂O若測得反應后的混合氣體中Cl₂的體積分數為3/73，假設氣體的總物質的量為73mol，則Cl₂為3mol；CO₂和ClO₂總物質的量為70mol．產生3mol的Cl₂消耗NaClO₃的物質的量1mol；根據方程式6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O可知產生CO₂和ClO₂總物質的量為70mol消耗CH₃OH的物質的量為10mol；消耗 NaClO₃的物質的量為60mol，據此計算解答；
（4）①依據ClO₂的沸點低，容易揮發的性質解答；
②C為尾氣吸收裝置，由于ClO₂能與堿發生反應，所以通常用NaOH溶液來吸收，二者反應生成NaClO₂、NaClO₃、H₂O．

解答 解：（1）ClO₂、Na₂FeO₄、Cl₂三種消毒殺菌劑的消毒效率分別是ClO₂：67.5g÷5mol=13.5g/mol； Na₂FeO₄：166g÷3mol=55.33g/mol；Cl₂：71g/2mol=35.5g/mol．所以三種消毒殺菌劑的消毒效率由大到小的順序是ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄；
故答案為：ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄；
（2）根據題意可得Na₂FeO₄把H₂O氧化為O₂，氧氣殺菌消毒，它本身被還原為Fe3⁺．Fe³⁺水解產生Fe（OH）₃膠體吸附水中的懸浮物質．從而凈化了水．該反應的離子方程式為：4FeO₄^2-+10 H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑；
故答案為：4FeO₄^2-+10 H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑；
（3）①甲醇與氯氣在水溶液中發生氧化還原反應生成氯化氫和二氧化碳，所以第二步反應的離子方程式為：CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺；
故答案為：CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺；
②由①中的兩個反應方程式可以看出若轉移相同的電子，Cl-的消耗與產生量相等．之所以在工業生產時要在反應物中加少量Cl^-，是因為Cl^-起作催化劑作用；
故答案為：催化劑；
③將第一步與第二步的方程式疊加可得總方程式：6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O．將副反應ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O配平可得：ClO₃^-+5Cl^-+6H⁺=3Cl₂↑+3H₂O若測得反應后的混合氣體中Cl₂的體積分數為3/73，假設氣體的總物質的量為73mol，則Cl₂為3mol；CO₂和ClO₂總物質的量為70mol．產生3mol的Cl₂消耗NaClO₃的物質的量1mol；根據方程式6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O可知產生CO₂和ClO₂總物質的量為70mol消耗CH₃OH的物質的量為10mol；消耗 NaClO₃的物質的量為60mol．所以共消耗CH₃OH的物質的量為10mol；消耗 NaClO₃的物質的量為60mol+3mol=61mol．因此起始投料時CH₃OH與NaClO₃的物質的量之比為10：61=1：6.1；
故答案為：1：6.1；
（4）①因為ClO₂的沸點低，容易揮發，所以B部分還應補充的裝置是冷凝裝置．可以用冰水進行降溫；
故答案為：（冰水）冷凝；
②C為尾氣吸收裝置，由于ClO₂能與堿發生反應，所以通常用NaOH溶液來吸收．反應的方程式為：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O；
故答案為：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O．

點評 本題考查飲用水的不同消毒劑的消毒效率的比較、ClO₂的制法、性質及涉及的化學反應原理．主要包括氧化還原反應的化學方程式、離子方程式的配平、書寫、實驗裝置的選擇、應用和有關計算的知識，題目難度不大．