工業(yè)上常用飽和食鹽水的方法制去H2,CL2,和NAOH,請寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式

【專家解說】：工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)是最基本的化學(xué)工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，還廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)以及公用事業(yè)。 一、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理 電解飽和食鹽水的原理與前面學(xué)過的電解CuCl2 溶液的原理是相類似的。 【實驗3】 在U型管里裝入飽和食鹽水，用一根碳棒作陽極，一根鐵棒作陰極（如右圖）。同時在兩邊管中各滴入幾滴酚酞試液，并把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在陽極附近。接通直流電源后，注意觀察管內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象及試紙顏色的變化。 從實驗可以看到，在U型管的兩個電極上都有氣體放出。陽極放出的氣體有刺激性氣味，并且能使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{(lán)，說明放出的是Cl2；陰極放出的氣體是H2，同時發(fā)現(xiàn)陰極附近溶液變紅，這說明溶液里有堿性物質(zhì)生成。 為什么會出現(xiàn)這些實驗現(xiàn)象呢？ 這是因為NaCl是強電解質(zhì)，在溶液里完全電離，水是弱電解質(zhì)，也微弱電離，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四種離子。當(dāng)接通直流電源后，帶負(fù)電的OH-和Cl-向陽極移動，帶正電的Na+和H+向陰極移動。在這樣的電解條件下，Cl-比OH-更易失去電子，在陽極被氧化成氯原子，氯原子結(jié)合成氯分子放出，使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{(lán)。 陽極反應(yīng)：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)） H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結(jié)合成氫分子從陰極放出。 陰極反應(yīng)：2H+＋2e-＝H2↑（還原反應(yīng)） 在上述反應(yīng)中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H+和OH-， H+又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對地增大，使酚酞試液變紅。因此，電解飽和食鹽水的總反應(yīng)可以表示為： 工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理，制取燒堿、氯氣和氫氣。 在上面的電解飽和食鹽水的實驗中，電解產(chǎn)物之間能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如NaOH溶液和Cl2能反應(yīng)生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，要避免這幾種產(chǎn)物混合，常使反應(yīng)在特殊的電解槽中進(jìn)行。 二、離子交換膜法制燒堿 目前世界上比較先進(jìn)的電解制堿技術(shù)是離子交換膜法。這一技術(shù)在20世紀(jì)50年代開始研究，80年代開始工業(yè)化生產(chǎn)。 離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成，每臺電解槽由若干個單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。右圖表示的是一個單元槽的示意圖。電解槽的陽極用金屬鈦網(wǎng)制成，為了延長電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽極網(wǎng)上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網(wǎng)制成，上面涂有鎳涂層；陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室。陽離子交換膜有一種特殊的性質(zhì)，即它只允許陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl -、OH-和氣體則不能通過。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。下圖是一臺離子交換膜電解槽（包括16個單元槽）。 精制的飽和食鹽水進(jìn)入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子膜由陽極室進(jìn)入陰極室，導(dǎo)出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。電解后的淡鹽水從陽極導(dǎo)出，可重新用于配制食鹽水。 離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程可以簡單表示如下圖所示： 電解法制堿的主要原料是飽和食鹽水，由于粗鹽水中含有泥沙、 精制食鹽水時經(jīng)常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使雜質(zhì)成為沉淀過濾除去，然后加入鹽酸調(diào)節(jié)鹽水的pH。例如： 加入Na2CO3溶液以除去Ca2+： 加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等： Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓ Fe3+＋3OH-＝Fe(OH)3↓ 以除去過量的Ba2+： 這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金屬離子，由于這些陽離子在堿性環(huán)境中會生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽離子交換塔，進(jìn)一步通過陽離子交換樹脂除去Ca2+、Mg2+等。這時的精制鹽水就可以送往電解槽中進(jìn)行電解了。 離子交換膜法制堿技術(shù)，具有設(shè)備占地面積小、能連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)電流波動、能耗低、污染小等優(yōu)點，是氯堿工業(yè)發(fā)展的方向。 三、以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn) NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產(chǎn)原料，可以進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品，廣泛用于各工業(yè)。所以氯堿工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及國民經(jīng)濟及人民生活的各個領(lǐng)域。 由電解槽流出的陰極液中含有30％的NaOH，稱為液堿，液堿經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶可以得到固堿。陰極區(qū)的另一產(chǎn)物濕氫氣經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽極區(qū)產(chǎn)物濕氯氣經(jīng)冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。 以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)及產(chǎn)品的主要用途見下圖。 隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強，對以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)過程中所造成的污染及其產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響越來越重視。例如，現(xiàn)已查明某些有機氯溶劑有致癌作用，氟氯烴會破壞臭氧層等，因此已停止生產(chǎn)某些有機氯產(chǎn)品。我們在充分發(fā)揮氯堿工業(yè)及以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用的同時，應(yīng)盡量減小其對環(huán)境的不利影響。 我國氯堿工業(yè)的發(fā)展 我國最早的氯堿工廠是1930年投產(chǎn)的上海天原電化廠（現(xiàn)上海天原化工廠的前身），日產(chǎn)燒堿2t。到1949年解放時，全國只有少數(shù)幾家氯堿廠，燒堿年產(chǎn)量僅1.5萬噸，氯產(chǎn)品只有鹽酸、液氯、漂白粉等幾種。 近年來，我國的氯堿工業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、生產(chǎn)技術(shù)等方面都得到很大發(fā)展。到1990年，燒堿產(chǎn)量達(dá)331萬噸，僅次于美國和日本，位于世界第三位。1995年，燒堿產(chǎn)量達(dá)496萬噸，其中用離子交換膜電解法生產(chǎn)的達(dá)56.2萬噸，占總產(chǎn)量的11.3％。預(yù)計到2000年，燒堿年產(chǎn)量將達(dá)540 萬噸，其中用離子膜電解法生產(chǎn)的將達(dá)180萬噸，占33.3％。 參考資料：http://www.ltyz.net/xueke/huaxue/gao34/2zhishi.htm