Question

7．斯坦福大學B．M．Trost教授提出了綠色化學的核心概念--原子經(jīng)濟性．我們常用原子利用率來衡量化學反應過程的原子經(jīng)濟性，其計算公式為：
原子利用率=$\frac{目標生成物的量}{參加該反應所有反應物的總質(zhì)量}$×100%
下面是新型自來水消毒劑ClO₂的四種生產(chǎn)方法．
（1）氯酸鈉和鹽酸法：本方法的化學方程式為2NaClO₃+4HCl→2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
現(xiàn)有濃度為32%的鹽酸（ρ=1.1593g/cm³），求該鹽酸的物質(zhì)的量濃度10.16mol/L，若要制取1mol ClO₂，至少需要該濃度的鹽酸196.85mL．（保留兩位小數(shù)，下同）
（2）電解亞氯酸鈉法：本方法是用惰性電極電解亞氯酸鈉溶液，原子利用率為62.2%，其陽極電極反應式為：ClO₂^--e→ClO₂↑，陰極電極反應式為：2H₂O+2e→H₂↑+2OH^-．
①求該反應的化學方程式：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2ClO₂↑+2NaOH+H₂↑；
②在標準狀況下，用該方法電解500mL亞氯酸鈉溶液，反應一段時間后，測得溶液的pH為13（體積變化忽略不計），求得到的ClO₂的體積？（寫出計算過程）氫氧根離子的物質(zhì)的量為：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氫氧化鈉和物質(zhì)的量為：0.05mol，而n（ClO₂）=n（NaOH），所以體積為：0.05mol×22.4L/mol=1.12L
（3）亞氯酸鈉和氯氣法：本方法的化學方程式為2NaClO₂+Cl₂→2NaCl+2ClO₂，求該反應的原子利用率．（寫出計算過程）m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%
（4）聯(lián)合工藝法：此方法的反應原理由三步組成：
①電解氯化鈉NaCl+3H₂O$\stackrel{電解}{→}$NaClO₃+3H₂↑
②氫氣和氯氣合成氯化氫
③生成二氧化氯2NaClO₃+4HCl→2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
此方法的原子利用率最大為94.4%．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)c=$\frac{1000ρω}{M}$計算該濃鹽酸的物質(zhì)的量濃度；根據(jù)V=$\frac{n}{c}$進行計算；
（2）①電解含氧酸鹽時，陰極上氫離子放電生成氫氣；
②測得溶液的pH為13，所以氫氧根離子的濃度為：0.1mol/L，則氫氧根離子的物質(zhì)的量為：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氫氧化鈉和物質(zhì)的量為：0.05mol，由此求體積；
（3）根據(jù)原子利用率的公式計算其利用率；
（4）將方程式書寫為由氯化鈉生成二氧化氯的反應方程式，再利用原子利用率進行計算．

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的鹽酸，V=$\frac{n}{c}$=$\frac{2}{10.16}$=0.19685L=196.85mL，
故答案為：10.16； 196.85；
（2）①電解含氧酸鹽時，陰極上氫離子放電生成氫氣，所以電極反應式為：2H⁺+2e^-=H₂↑，而陽極是ClO₂^-放電生成ClO₂↑，總的化學方程式為：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2 ClO₂↑+2NaOH+H₂↑，
故答案為：2NaClO₂+2H₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2 ClO₂↑+2NaOH+H₂↑；
②測得溶液的pH為13，所以氫氧根離子的濃度為：0.1mol/L，則氫氧根離子的物質(zhì)的量為：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氫氧化鈉和物質(zhì)的量為：0.05mol，所以體積為：1.12L，
故答案為：氫氧根離子的物質(zhì)的量為：0.1mol/L×0.5L=0.05mol，即氫氧化鈉和物質(zhì)的量為：0.05mol，而n（ClO₂）=n（NaOH），所以體積為：0.05mol×22.4L/mol=1.12L；
（3）假設生成2mol二氧化氯，則需要亞氯酸鈉的物質(zhì)的量是2mol，Cl₂的物質(zhì)的量是1mol，
m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%，
故答案為：m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（NaClO₂）=2mol×90.5g/mol=181g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=
71g，原子利用率=$\frac{135g}{181g+71g}$×100%=53.57%；
（4）①NaCl+3H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$NaClO₃+3H₂↑，
②H₂+Cl₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2HCl，
③2NaClO₃+4HCl=2NaCl+2ClO₂↑+Cl₂↑+2H₂O
將方程式2①+2②+③得4H₂O+Cl₂=4H₂+2ClO₂↑，
設生成的二氧化氯的物質(zhì)的量是2mol，參加反應的水的物質(zhì)的量是4mol，參加反應的氯氣的物質(zhì)的量是2mol，m（ClO₂）=2mol×67.5g/mol=135g，m（H₂O）=4mol×18g/mol=72g，m（Cl₂）=1mol×71g/mol=71g，
則原子利用率=$\frac{135g}{71g+72g}$×100%=94.4%，
故答案為：94.4%．

點評 本題考查了化學方程式的有關計算，根據(jù)原子利用率的概念來進行計算即可，易錯點是（3），根據(jù)提供公式是解答題的關鍵，難度中等．