Question

【題目】二氧化氯(ClO2)是一種在水處理等方面有廣泛應用的高效安全消毒劑，而且與Cl2相比不會產生對人體有潛在危害的有機氯代物。已知: ClO2濃度過高或受熱易分解，甚至會爆炸。現有下列制備ClO2的方法:

（1）方法一：氧化法

可用亞氯酸鈉和稀鹽酸為原料制備，反應原理為5NaClO2+4HCl=5NaCl+4ClO2↑+2H2O。

①該反應中氧化劑和還原劑的物質的量之比是_______________________。

②研究表明：若反應開始時鹽酸濃度較大，則氣體產物中有Cl2，用離子方程式解釋產生Cl2的原因__________。

（2）方法二：氯化鈉電解法

①用于電解的食鹽水需先除去其中的Ca2+、Mg2+、SO42-等雜質。某次除雜操作時，往粗鹽水中先加入過量的____（填化學式），至沉淀不再產生后，再加入過量的Na2CO3和NaOH，充分反應后將沉淀一并濾去。

②該法工藝原理示意圖如圖所示。其過程是將食鹽水在特定條件下電解得到的氯酸鈉（NaClO3）與鹽酸反應生成ClO2，氯化鈉電解槽中發生反應的化學方程式為_____________。

（3）方法三：草酸還原法

在酸性溶液中用草酸（H2C2O4）還原氯酸鈉的方法來制備ClO2

①寫出制備ClO2的離子方程式：____________________；

②與電解法相比，用草酸還原法制備ClO2的特點是____________________，提高了生產、儲存及運輸過程的安全性。

（4）已知: ClO2被I-還原為ClO2-、Cl-的轉化率與溶液pH 的關系如圖所示。當pH<2.0 時，ClO2-也能被I- 完全還原為Cl-。反應生成的I2與Na2S2O3 反應的方程式: 2Na2S2O3+ I2= Na2S4O6 + 2NaI。

用ClO2消毒的飲用水中含有ClO2、ClO2-。測定飲用水中ClO2、ClO2-的含量，分兩步進行:

①用紫外分光光度法測得水樣中ClO2的含量為a mol/L。

②用滴定法測量ClO2-的含量。請完成相應的實驗步驟:

步驟1: 準確量取V mL 上述水樣加入錐形瓶中。

步驟2: 調節水樣的pH________。

步驟3: 加入足量的KI 晶體，充分反應。

步驟4: 加入少量淀粉溶液，用c mol/L Na2S2O3 溶液滴定至終點，消耗Na2S2O3 溶液V1 mL。

根據上述分析數據，測得該飲用水中ClO2-的濃度為________mol/L( 用含字母的代數式表示)。

Answer 1

【答案】1∶4 4H++ClO2-+3Cl-=2Cl2↑+2H2O BaCl2 NaCl+3H2O NaClO3+ H2↑ 2ClO3 - + H2C2O4+ 2H+ =2ClO2↑ + 2CO2↑ + 2H2O 生成的CO2對ClO2起到稀釋作用 ＜2.0 (cV1-5aV) /4V

【解析】

(1)①NaClO2發生歧化反應，既是氧化劑又是還原劑，HCl起酸的作用，作氧化劑的NaClO2轉化為NaCl，作氧化劑的NaClO2轉化為ClO2，5molNaClO2反應生成4mol ClO2、5mol NaCl，其中4molNaCl由HCl轉化得到，故NaClO2轉化得到1molNaCl，故反應中氧化劑和還原劑的物質的量之比為1∶4，故答案為：1∶4；

②ClO2-具有強氧化性，酸性條件下與Cl-反應生成氯氣，同時還生成水，反應離子方程式為：4H++ClO2-+3Cl-=2Cl2↑+2H2O，故答案為：4H++ClO2-+3Cl-=2Cl2↑+2H2O；

(2)①在除雜的過程中每步加入的試劑必須是過量的，使離子除盡，過量的離子在后續操作中必須除去，過量的BaCl2用于除去SO42-，過量的NaOH溶液來除去Mg2+，過量的Na2CO3除去Ca2+及過量的Ba2+，過濾后，濾液用鹽酸除去過量的Na2CO3和NaOH，故沉淀離子時，碳酸鈉加入應在氯化鋇之后，而NaOH加入順序沒有要求，故：往粗鹽水中先加入過量的BaCl2，至沉淀不再產生后，再加入過量的Na2CO3和NaOH，充分反應后將沉淀一并濾去，故答案為：BaCl2；

②電解食鹽水得到的氯酸鈉(NaClO3)，由電子轉移守恒可知電解中有氫氣生成，NaClO3與鹽酸反應生成ClO2，有的生成物進入氯化鈉電解槽循環利用，說明有NaCl生成，有的生成物進入HCl合成塔中循環利用，說明還生成氫氣，二氧化氯發生器中生成ClO2的化學方程式為：2NaClO3+4HCl=2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O，因此氯化鈉電解槽中發生反應為電解氯化鈉生成氯酸鈉和氫氣，化學方程式為：NaCl+3H2O NaClO3+3H2↑。故答案為：NaCl+3H2O NaClO3+3H2↑；

(3)①用硫酸酸化的草酸(H2C2O4)溶液還原氯酸鈉，反應生成硫酸鈉、二氧化碳、二氧化氯、水，該反應為H2C2O4+2NaClO3+H2SO4═Na2SO4+2CO2↑+2ClO2↑+2H2O，離子反應為H2C2O4+2ClO3-+2H+=2CO2↑+2ClO2↑+2H2O，故答案為：H2C2O4+2ClO3-+2H+=2CO2↑+2ClO2↑+2H2O；

②根據題意，ClO2濃度過高或受熱易分解，甚至會爆炸，此法反應過程中生成的二氧化碳起到稀釋作用，提高了生產及儲存、運輸的安全性，故答案為：生成的CO2對ClO2起到稀釋作用；

(4)步驟4是Na2S2O3滴定溶液中I2，步驟2需要調節pH使ClO2-將I-氧化為I2，故應控制pH＜2.0；V mL溶液中，ClO2的物質的量為=V×10-3 L×a mol/L=aV×10-3 mol，由電子轉移守恒可得：2 ClO2～5 I2，ClO2氧化生成I2的物質的量=2.5aV×10-3 mol，消耗Na2S2O3的物質的量=V1×10-3 L×cmol/L=cV1×10-3 mol，由2Na2S2O3+I2=Na2S4O6+2NaI，溶液中I2總物質的量=0.5 cV1×10-3 mol，ClO2-氧化生成的I2的物質的量=0.5 cV1×10-3 mol-2.5aV×10-3 mol=(0.5 cV1-2.5aV)×10-3 mol，由電子轉移守恒可得：ClO2-～2I2，則ClO2-的物質的量= ×(0.5 cV1-2.5aV)×10-3 mol，故c(ClO2-)= ×(0.5 cV1-2.5aV)×10-3 mol÷V×10-3 L= mol/L，故答案為：＜2.0；。