Question

19．用二氧化氯（ClO₂）、铁酸钠（Na₂FeO₄摩尔质量为166g/mol）等新型净水剂替代传统的净水剂Cl₂对淡水进行消毒是城市饮用水处理新技术．ClO₂和Na₂FeO₄在水处理过程中分别被还原为Cl^-和Fe³⁺．
（1）如果以单位质量的氧化剂所得到的电子数来表示消毒效率，那么，ClO₂、Na₂FeO₄、Cl₂三种消毒杀菌剂的消毒效率由大到小的顺序是ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄．
（2）Na₂FeO₄溶于水会放出一种无色无味气体，其杀菌消毒、吸附水中的悬浮杂质的原理可用离子方程式表示为4FeO₄^2-+10H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑．
（3）工业以CH₃OH与NaClO₃为原料在酸性条件下制取ClO₂，同时产生CO₂气体，已知该反应分为两步进行，第一步为2ClO₃^-+2Cl^-+4H⁺=2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O．
①写出第二步反应的离子方程式CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺．
②工业生产时需在反应物中加少量Cl^-，其作用是催化剂．
③生产中会发生副反应ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O（未配平），若测得反应后的混合气体中Cl₂的体积分数为3/73，则起始投料时CH₃OH与NaClO₃的物质的量之比为1：6.1．
（4）已知二氧化氯是一种黄绿色有刺激性气味的气体，其熔点为-59℃，沸点为11.0℃，易溶于水．ClO₂也可以看做是亚氯酸（HClO₂）和氯酸（HClO₃）的混合酸酐．工业上用稍潮湿的KClO₃和草酸在60℃时反应制得．某学生用如图所示的装置模拟工业制取及收集ClO₂，其中A为ClO₂的发生装置，B为ClO₂的凝集装置，C为尾气吸收装置．请问：
①A部分还应添加温度控制（如水浴加热）装置，B部分还应补充什么装置（冰水）冷凝；
②C中应装的试剂为NaOH溶液．C中发生反应的化学方程式为：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O．

Answer 1

分析 （1）依据取1molClO₂、Cl₂、Na₂FeO₄，分别计算在氧化还原反应中元素化合价变化数目判断解答；
（2）Na₂FeO₄把H₂O氧化为O₂，氧气杀菌消毒，它本身被还原为Fe3⁺．Fe³⁺水解产生Fe（OH）₃胶体吸附水中的悬浮物质．从而净化了水，据此写出反应的离子方程式；
（3）①甲醇与氯气在水溶液中发生氧化还原反应生成氯化氢和二氧化碳；
②由①中的两个反应方程式可以看出若转移相同的电子，Cl-的消耗与产生量相等，结合催化剂的概念解答；
③将第一步与第二步的方程式叠加可得总方程式：6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O．将副反应ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O配平可得：ClO₃^-+5Cl^-+6H⁺=3Cl₂↑+3H₂O若测得反应后的混合气体中Cl₂的体积分数为3/73，假设气体的总物质的量为73mol，则Cl₂为3mol；CO₂和ClO₂总物质的量为70mol．产生3mol的Cl₂消耗NaClO₃的物质的量1mol；根据方程式6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O可知产生CO₂和ClO₂总物质的量为70mol消耗CH₃OH的物质的量为10mol；消耗 NaClO₃的物质的量为60mol，据此计算解答；
（4）①依据ClO₂的沸点低，容易挥发的性质解答；
②C为尾气吸收装置，由于ClO₂能与碱发生反应，所以通常用NaOH溶液来吸收，二者反应生成NaClO₂、NaClO₃、H₂O．

解答 解：（1）ClO₂、Na₂FeO₄、Cl₂三种消毒杀菌剂的消毒效率分别是ClO₂：67.5g÷5mol=13.5g/mol； Na₂FeO₄：166g÷3mol=55.33g/mol；Cl₂：71g/2mol=35.5g/mol．所以三种消毒杀菌剂的消毒效率由大到小的顺序是ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄；
故答案为：ClO₂＞Cl₂＞Na₂FeO₄；
（2）根据题意可得Na₂FeO₄把H₂O氧化为O₂，氧气杀菌消毒，它本身被还原为Fe3⁺．Fe³⁺水解产生Fe（OH）₃胶体吸附水中的悬浮物质．从而净化了水．该反应的离子方程式为：4FeO₄^2-+10 H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑；
故答案为：4FeO₄^2-+10 H₂O=4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑；
（3）①甲醇与氯气在水溶液中发生氧化还原反应生成氯化氢和二氧化碳，所以第二步反应的离子方程式为：CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺；
故答案为：CH₃OH+3Cl₂+H₂O=6Cl^-+CO₂+6H⁺；
②由①中的两个反应方程式可以看出若转移相同的电子，Cl-的消耗与产生量相等．之所以在工业生产时要在反应物中加少量Cl^-，是因为Cl^-起作催化剂作用；
故答案为：催化剂；
③将第一步与第二步的方程式叠加可得总方程式：6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O．将副反应ClO₃^-+Cl^-+H⁺-Cl₂↑+H₂O配平可得：ClO₃^-+5Cl^-+6H⁺=3Cl₂↑+3H₂O若测得反应后的混合气体中Cl₂的体积分数为3/73，假设气体的总物质的量为73mol，则Cl₂为3mol；CO₂和ClO₂总物质的量为70mol．产生3mol的Cl₂消耗NaClO₃的物质的量1mol；根据方程式6ClO₃^-+CH₃OH+6H⁺=CO₂↑+6ClO₂↑+5H₂O可知产生CO₂和ClO₂总物质的量为70mol消耗CH₃OH的物质的量为10mol；消耗 NaClO₃的物质的量为60mol．所以共消耗CH₃OH的物质的量为10mol；消耗 NaClO₃的物质的量为60mol+3mol=61mol．因此起始投料时CH₃OH与NaClO₃的物质的量之比为10：61=1：6.1；
故答案为：1：6.1；
（4）①因为ClO₂的沸点低，容易挥发，所以B部分还应补充的装置是冷凝装置．可以用冰水进行降温；
故答案为：（冰水）冷凝；
②C为尾气吸收装置，由于ClO₂能与碱发生反应，所以通常用NaOH溶液来吸收．反应的方程式为：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O；
故答案为：2ClO₂+2NaOH=NaClO₂+NaClO₃+H₂O．

点评 本题考查饮用水的不同消毒剂的消毒效率的比较、ClO₂的制法、性质及涉及的化学反应原理．主要包括氧化还原反应的化学方程式、离子方程式的配平、书写、实验装置的选择、应用和有关计算的知识，题目难度不大．