Question

7．斯坦福大学B．M．Trost教授提出了绿色化学的核心概念--原子经济性．我们常用原子利用率来衡量化学反应过程的原子经济性，其计算公式为：
原子利用率=$\frac{目标生成物的量}{参加该反应所有反应物的总质量}$×100%
下面是新型自来水消毒剂ClO₂的四种生产方法．
（1）氯酸钠和盐酸法：本方法的化学方程式为2NaClO₃+4HCl→2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
现有浓度为32%的盐酸（ρ=1.1593g/cm³），求该盐酸的物质的量浓度10.16mol/L，若要制取1mol ClO₂，至少需要该浓度的盐酸196.85mL．（保留两位小数，下同）
（2）电解亚氯酸钠法：本方法是用惰性电极电解亚氯酸钠溶液，原子利用率为62.2%，其阳极电极反应式为：ClO₂^--e→ClO₂↑，阴极电极反应式为：2H₂O+2e→H₂↑+2OH^-．
①求该反应的化学方程式：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2ClO₂↑+2NaOH+H₂↑；
②在标准状况下，用该方法电解500mL亚氯酸钠溶液，反应一段时间后，测得溶液的pH为13（体积变化忽略不计），求得到的ClO₂的体积？（写出计算过程）氢氧根离子的物质的量为：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氢氧化钠和物质的量为：0.05mol，而n（ClO₂）=n（NaOH），所以体积为：0.05mol×22.4L/mol=1.12L
（3）亚氯酸钠和氯气法：本方法的化学方程式为2NaClO₂+Cl₂→2NaCl+2ClO₂，求该反应的原子利用率．（写出计算过程）m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%
（4）联合工艺法：此方法的反应原理由三步组成：
①电解氯化钠NaCl+3H₂O$\stackrel{电解}{→}$NaClO₃+3H₂↑
②氢气和氯气合成氯化氢
③生成二氧化氯2NaClO₃+4HCl→2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
此方法的原子利用率最大为94.4%．

Answer 1

分析 （1）根据c=$\frac{1000ρω}{M}$计算该浓盐酸的物质的量浓度；根据V=$\frac{n}{c}$进行计算；
（2）①电解含氧酸盐时，阴极上氢离子放电生成氢气；
②测得溶液的pH为13，所以氢氧根离子的浓度为：0.1mol/L，则氢氧根离子的物质的量为：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氢氧化钠和物质的量为：0.05mol，由此求体积；
（3）根据原子利用率的公式计算其利用率；
（4）将方程式书写为由氯化钠生成二氧化氯的反应方程式，再利用原子利用率进行计算．

解答 解：（1）c=$\frac{1000ρω}{M}$=$\frac{1.1593×1000×32%}{36.5}$=10.16 mol/L，若要制取1mol ClO₂，需要2mol的盐酸，V=$\frac{n}{c}$=$\frac{2}{10.16}$=0.19685L=196.85mL，
故答案为：10.16； 196.85；
（2）①电解含氧酸盐时，阴极上氢离子放电生成氢气，所以电极反应式为：2H⁺+2e^-=H₂↑，而阳极是ClO₂^-放电生成ClO₂↑，总的化学方程式为：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2 ClO₂↑+2NaOH+H₂↑，
故答案为：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2 ClO₂↑+2NaOH+H₂↑；
②测得溶液的pH为13，所以氢氧根离子的浓度为：0.1mol/L，则氢氧根离子的物质的量为：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氢氧化钠和物质的量为：0.05mol，所以体积为：1.12L，
故答案为：氢氧根离子的物质的量为：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氢氧化钠和物质的量为：0.05mol，而n（ClO₂）=n（NaOH），所以体积为：0.05mol×22.4L/mol=1.12L；
（3）假设生成2mol二氧化氯，则需要亚氯酸钠的物质的量是2mol，Cl₂的物质的量是1mol，
m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%，
故答案为：m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%；
（4）①NaCl+3H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$NaClO₃+3H₂↑，
②H₂+Cl₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2HCl，
③2NaClO₃+4HCl=2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
将方程式2①+2②+③得4H₂O+Cl₂=4H₂+2ClO₂↑，
设生成的二氧化氯的物质的量是2mol，参加反应的水的物质的量是4mol，参加反应的氯气的物质的量是2mol，m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（H₂O）=4mol×18g/mol=72g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=71g，
则原子利用率=$\frac{135g}{71g+72g}$×100%=94.4%，
故答案为：94.4%．

点评 本题考查了化学方程式的有关计算，根据原子利用率的概念来进行计算即可，易错点是（3），根据提供公式是解答题的关键，难度中等．