海水中的化学元素

海水中蕴含着丰富的元素，元素周期表中列出的110多种元素，有80多种在海水中能找到。这些元素大部分以盐的形式存在，其中NaCl的含量较高，食盐主要是用海水晒盐的方法获得，氯碱工业就是以食盐为原料进行生产的。从海水中还可以提取出MgCl2，然后电解MgCl2得到金属镁，还能提炼出溴、碘等，可以说，海水是一个巨大的化学资源宝库。【重点难点】重点：从海水中获取NaCl、Mg、Br2。难点：氯碱工业，提取镁、溴的化学原理。【知识讲解】地壳中含有丰富的元素，而海水占地球表面的70％以上，其中蕴含的元素更丰富，研究海水中的化学资源，就能从海水中得到很多有用的物质。一、海水——化学元素宝库1、海水中含丰富的元素元素周期表中的110多种元素，海水中含有80多种，而且海水的量又比较多，故有些元素的含量极其丰富，有很大的开采、使用价值。2、海水中各种元素的来源海水中的这些元素，是通过河流、大气及海底火山活动等途径，从地球的其他圈层进入海洋的。由陆地河流和大气进入海洋的物质，90％是由江河输入海洋的，10％由冰和大气尘埃输入。虽然来源不同，输入海洋的物质的数量随地理位置和时间的不同而有所变化，但海水的浩大，还能使某一海区海水的性质趋于一致。3、海水中的常量元素和微量元素(1)常量元素：每升海水中含量大于1mg的元素为常量元素。常见的常量元素有Cl、Na、Mg、S、Ca、K、C、Sr、Br、B、F这11种元素，它们的总量占海水所溶解物质总量的99.9％。Cl、Na两种元素的含量最高，海水中NaCl的含量特别丰富。(2)微量元素：每升海水中含量低于1mg的元素称为微量元素。虽然微量元素的含量较低，但由于海水的质量很大，故含的这些元素的质量也很可观，还是有很大的开采价值，如：海水中锂元素的含量达到2.5×1011吨，而锂可用于制造心脏起博器中的锂电池，是热核反应的重要材料之一。铀元素(235U)用做制原子弹和核反应堆的燃料，1kg235U全部裂变释放的能量相当于2500吨优质煤燃烧释放出的能量，故铀的使用价值相当大。可知，用海水为原料提取一些重要的物质，是工业生产的一个方向，现在应用较广的为海水提取盐、提取Mg和溴。二、海水晒盐1、海水中盐的含量海水中所含的元素大部分以盐的形式存在，整个海洋中溶解盐类物质高达5×1017吨之多，其中NaCl的含量80％以上，我们的生活用盐、工业用盐都是从海水中提取出来的。2、海水晒盐的原理由于NaCl的溶解度随温度的升高而变化不大，故实验室从饱和食盐水中获得NaCl一般不采用冷却热饱和溶液法，而是采用蒸发溶剂法，同样，工业生产食盐也是利用该原理，海水晒盐就是把水分挥发掉而析出NaCl晶体。3、食盐对人体的作用食盐常用于生活中的调味品，是因为它是人体所必需的物质，对人体的血液循环和新陈代谢有重要作用。若人体缺盐就会使人头晕、无力，长期缺盐会导致心脏病，但过多地摄入食盐又可能引发肾脏疾病和高血压病等。可见，NaCl是人体不可缺少的物质，NaCl不仅对人体有用，在工业生产中，它也是一种很重要的工业原料。4、氯化钠在工业上的应用[实验]如图，U形管中注入饱和食盐水，并滴入几滴酚酞试液，然后插入电极，接通电源。现象：a、b两极都有气泡产生，a极产生的气体为无色气体，收集后在酒精灯火焰上点燃，有尖锐的爆鸣声，b极产生的气体为黄绿色气体，能使湿润的淀粉KI试纸变蓝。同时a极区溶液变红。分析：a极产生了可燃性气体，为H2，同时，溶液变红，说明有OH-生成，b极产生的为黄绿色的Cl2，这就是电解食盐水的反应，该反应是氯碱工业的生产原理。(1)氯碱工业的原理：a极(阴极)：2H+＋2e-＝H2↑，H+被消耗，H2O电离的OH-增多，溶液呈碱性，使酚酞呈红色。b极(阳极)：2Cl-―2e-＝Cl2↑总反应：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑(2)氯碱工业的应用通过氯碱工业，可制得H2、Cl2、NaOH，Cl2、NaOH可作为重要的工业原料合成其它物质。(3)NaCl制取金属钠2NaCl(熔融)2Na＋Cl2工业上利用该反应制取金属钠和Cl2，电极反应为阳极：2Cl-―2e-＝Cl2↑，阴极：2Na+＋2e-＝2Na。三、镁和海水提取镁海水中镁元素的总储量约为2×1015吨，故镁主要从海水中提取。1、海水提取镁的原理(1)海水加碱(Ca(OH)2)：Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓(2)沉淀过滤，加入盐酸：Mg(OH)2＋2HCl＝MgCl2＋2H2O(3)蒸发结晶得MgCl2·6H2O晶体，然后电解熔融的MgCl2：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑另一种方法为：以光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)为原料，用结晶法从光卤石溶液中提出KCl，剩下的溶液浓缩成MgCl2·6H2O，同样用电解MgCl2(熔融)的方法制金属Mg。2、镁的重要性及用途(1)镁的物理性质：镁为银白色金属，密度较小，镁铝合金机械性能好，强度高，故该合金常用于制飞机、火箭的重要原料，故Mg又称为“国防金属”。(2)镁的化学性质：单质镁为活泼金属，能做还原剂[实验]：把两根镁条，用砂纸擦去表面的氧化物，然后用坩埚钳夹住，在酒精灯上点燃，观察现象，然后分别伸进盛有CO2、N2的集气瓶中，观察现象。现象：镁条在空气中燃烧，发出耀眼的强光，生成白色粉末，伸进盛有CO2、N2的镁条也都继续燃烧。分析：Mg与O2、CO2、N2在点燃的条件下都发生反应，方程式分别为2Mg＋O22MgO2Mg＋CO22MgO＋C3Mg＋N2Mg3N2Mg常温下在空气中，其表面会被空气中的氧气氧化生成致密的氧化膜(MgO)，对Mg起到保护作用，Mg与N2生成的Mg3N2可以水解生成Mg(OH)2、NH3，这些反应在物质转化方面起到很重要的作用。Mg与酸反应能放出H2，有时Mg也能与一些盐溶液反应：Mg粉撒入NH4Cl溶液中能放出气体，反应为：Mg＋2NH4Cl＝2NH3↑＋MgCl2＋H2↑Mg的单质及常见化合物的转化关系如下图所示四、溴和海水提溴地球上99％的溴元素以Br-形式存在于海水中，故人们把溴称为“海洋元素”，同时海水中也含一定量的碘元素，从海水中提取Br2、I2是生产Br2、I2的重要方法。1、海水提溴：(1)浓缩：海水中Br-的浓度较低，需蒸发水分进行浓缩，或者利用海水晒盐后剩余的部分(又称苦卤)做制取Br2的原料。(2)氧化：苦卤中通Cl2，把Br-氧化，反应为：Cl2＋2Br-＝2Cl-＋Br2(3)提取：Br2仍溶解在溶液中，先用热空气把Br2吹出(因为Br2易挥发)，用Na2CO3溶液吸收吹出的Br2：3Br2＋3CO32-＝5Br-＋BrO3-＋3CO2↑然后在上述溶液中再加H2SO4酸化，重新生成Br2。5Br-＋BrO3-＋6H＋＝3Br2＋3H2O海水中碘元素的含量约有9.3×103吨，其中海藻灰中(NaI)含量较高，可用浓H2SO4把NaI中I氧化为I2。2NaI＋2H2SO4(浓)Na2SO4＋I2＋SO2↑＋2H2O2、Br2、I2单质的性质：(1)Br2、I2的物理性质[实验]：观察Br2、I2单质的颜色、状态、闻气味。取少量Br2、I2单质，分别加入H2O、酒精、CCl4、汽油中，观察溶解情况，加热溴、碘单质。实验记录总结：Br2、I2的物理性质：Br2为深红棕色的液体，碘为紫黑色晶体，都不易溶于水，易溶于酒精、CCl4、汽油、苯等有机溶剂。溴易挥发，碘易升华。(2)萃取：Br2、I2在有机溶剂中溶解程度远大于在水中的溶解，故有机溶剂能从溴水、碘水中把Br2、I2夺取过去，这种现象为萃取。[实验]：向盛有溴水、碘水的两支试管中，分别加入CCl4、振荡，静止后观察现象。现象：两支试管中都出现分层现象，上层为无色的水层，下层为有机层(CCl4的密度大于水)且溴在CCl4中为橙红色，I2在CCl4为紫红色。结论：不溶于水的有机溶剂(苯、CCl4、汽油)能从溴水、碘水中萃取Br2、I2，利用此方法可以从水溶液中分离出Br2、I2。(3)Br2、I2的化学性质Br2、I2的化学性质与Cl2很相似，能与金属单质(Na、Mg、Fe等)、非金属单质(H2)、H2O、碱溶液反应，体现出同族元素性质的相似性，Cl2、Br2、I2差异性是什么呢？主要体现在三者氧化性的不同，Cl2、Br2、I2的氧化性存什么样的关系呢？[活动·探究]Cl2、Br2、I2氧化性的比较。实验：把氯水分别滴入NaBr溶液、NaI溶液中，滴入CCl4溶液，把溴水滴入NaI溶液中，滴入CCl4溶液，观察现象可知，Cl2、Br2、I2的氧化性强弱为Cl2＞Br2＞I2海水是一个巨大的化学资源宝库，但有些元素从海水中提取还较为困难，需要科学家们继续探索。【本节小结】：海水的综合利用可用下图体现出来：【例题分析】例1、从海水中获得Br2的过程是把Cl2通入加热到90℃，pH＝3.5的卤水中，将Br-氧化为Br2，用空气吹出生成的Br2，被Na2CO3溶液吸收得到NaBr、NaBrO3混合溶液，再用硫酸酸化混合液，即可得到Br2。写出有关的离子方程式。(1)Na2CO3溶液吸收Br2______。(2)用硫酸酸化混合液制取Br2______。解析：海水中的溴元素含量很高，主要以Br-的形式的存在，但浓度太小，苦卤中Br-含量较高，故先用氧化剂(Cl2)把Br-氧化为Br2。题中介绍了Br2从溶液中脱离出来的方法，然后再重新生成Br2，题目涉及了Br2反应的歧化反应和生成Br2的归中反应，考查的较为灵活。答案：(1)3Br2＋3CO32-＝5Br-＋BrO3-＋3CO2↑(2)5Br-＋BrO3-＋6H＋＝3Br2＋3H2O例2、阅读下面一段化学史短文后，回答有关问题：库式图是法国的一位化学家。1811年的某一天，他偶然发现海藻灰与浓硫酸作用后，放出一股美丽的紫色气体，这种气体冷凝后不形成气体，而变成暗黑色的带有金属光泽的晶体，他发现这种物质与氧、碳都不易反应。但却能和氢、磷等非金属、钠、镁等金属反应。回答(1)写出这种新元素的名称______。(2)写出海藻灰与浓硫酸作用得到该元素的单质的化学方程式______。解析：海藻灰中含有碘化物，如KI、NaI等。跟浓硫酸反应能生成HI，HI进而被浓硫酸氧化为I2。答案：(1)碘。(2)H2SO4(浓)＋KI＝KHSO4＋HI↑H2SO4(浓)＋NaI＝NaHSO4＋HI↑8HI＋H2SO44I2↑＋H2S↑＋4H2O例3、从海水中可提取多种化工原料，下面是工业上对海水的几项综合利用的示意图：请回答一下问题：(1)粗盐中含有Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质离子，精制时所用试剂为：盐酸、BaCl2溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液，加入试剂的顺序是______。(2)写出电解饱和食盐水的总反应式：______。(3)用海滩上的贝壳制Ca(OH)2的有关反应式是______。(4)写出制取Mg(OH)2的化学方程式______。(5)工业上冶炼镁时采用电解MgCl2而不采用电解MgO，其原因是______。(6)电解无水MgCl2可制得金属镁和氯气，利用副产品氯气和粉末状熟石灰反应可制得漂白粉，反应的化学方程式为______。解析：(1)加入试剂的顺序是：BaCl2溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液、盐酸。(2)2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑(3)CaCO3CaO＋CO2↑，CaO＋H2O＝Ca(OH)2(4)Ca(OH)2＋MgCl2＝CaCl2＋Mg(OH)2↓(5)原因为：MgCl2熔点低于MgO，因此用电解熔融MgCl2的方法制取金属镁比较节省能源。(6)2Cl2＋2Ca(OH)2＝CaCl2＋Ca(ClO)2＋2H2O【达标练习】1、0.1mol镁粉分别在足量的O2、CO2、N2中燃烧，生成固体的质量依次为W1、W2、W3。下列关系式中正确的是()A、W2＞W1＞W3B、W1＝W2＞W3C、W1＝W2＝W3D、W3＞W2＞W12、镁条在下列气体中不能燃烧的是（）A、N2B、O2C、CO2D、H23、下列溶剂能溶解B