沪科版高一化学必修一知识点：第二章 开发海水中的卤素资源

化学作为自然科学的一种，主要在分子、原子层次上研究物质的组成、性质、结构与变化规律。它不仅揭示了自然界中物质的基本构成，还为人类提供了创造新物质的科学方法。

本篇文章将详细介绍沪科版高一化学必修一第二章——开发海水中的卤素资源，重点探讨氯气的化学性质、实验室制法以及卤族元素（氯、溴、碘）的物理和化学性质及其递变性。

一、氯气的化学性质

氯气（Cl）是卤素家族的一员，其原子结构示意图为最外层有7个电子。根据八电子规则，氯原子容易通过获得一个电子而达到稳定的8电子结构，因此表现出强氧化性。这种强氧化性使得氯气能够与多种物质发生反应，具体包括金属、非金属及某些化合物。

1. 跟金属反应

氯气与金属的反应非常剧烈，生成相应的金属氯化物。以下是几种常见金属与氯气反应的例子：

- 钠（Na）：

\(2\text{Na} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{NaCl}\)

反应时产生大量的白烟，这是由于生成的氯化钠固体颗粒悬浮在空气中形成的。

- 铜（Cu）：

\(\text{Cu} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{CuCl}_2\)

生成棕黄色的烟，这是因为生成的氯化铜固体呈现该颜色。溶解于水后，溶液呈蓝色或绿色。

- 铁（Fe）：

\(2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{FeCl}_3\)

生成棕色的烟，溶于水后呈黄色。铁与氯气反应生成三价铁离子，这表明氯气具有较强的氧化能力，能将二价铁氧化为三价铁。

2. 跟非金属反应

氯气与非金属的反应也较为剧烈，尤其是一些活泼的非金属如氢气和磷。以下是几个典型的例子：

- 氢气（H）：

\(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃或光照}} 2\text{HCl}\)

点燃时发出苍白火焰，瓶口有白雾；光照条件下会发生爆炸，这是因为反应非常迅速且放热剧烈。

- 磷（P）：

\(2\text{P} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{PCl}_3\)（氯气不足时生成三氯化磷，呈现雾状）

\(2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{PCl}_5\)（氯气充足时生成五氯化磷，呈现烟状）

3. 与水反应

氯气与水的反应生成盐酸和次氯酸：

\(\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} = \text{HCl} + \text{HClO}\)

次氯酸（HClO）是一种不稳定的弱酸，但具有很强的氧化性，常用于消毒和漂白。需要注意的是，氯水通常需要密封保存在棕色试剂瓶中，因为HClO见光或受热易分解。

4. 与碱反应

氯气与碱的反应生成氯化物和次氯酸盐，例如：

\(\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} = \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}\)

\(\text{Ca(OH)}_2\)与氯气反应生成漂粉精的主要成分次氯酸钙（Ca(ClO)_2），其漂白原理如下：

\(\text{Ca(ClO)}_2 + 2\text{HCl} = \text{CaCl}_2 + 2\text{HClO}\)

\(\text{Ca(ClO)}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 = \text{CaCO}_3↓ + 2\text{HClO}\)

5. 与某些还原性物质的反应

氯气作为一种强氧化剂，可以与多种还原性物质发生反应，例如：

- 碘化钾（KI）：

\(\text{Cl}_2 + 2\text{KI} = 2\text{KCl} + \text{I}_2\)

该反应可用于检验氯气的存在，常用湿润的淀粉KI试纸进行检测，试纸会先变蓝后褪色。

- 亚铁离子（Fe^{2+}）：

\(2\text{FeCl}_2 + \text{Cl}_2 = 2\text{FeCl}_3\)

氯气将亚铁离子氧化为铁离子，生成三氯化铁。

- 亚硫酸钠（Na_2SO_3）：

\(\text{Cl}_2 + \text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} = \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{HCl}\)

氯气将亚硫酸根氧化为硫酸根，同时生成盐酸。

二、氯气的实验室制法

在实验室中，氯气可以通过强氧化性物质（如二氧化锰MnO、高锰酸钾KMnO等）与浓盐酸反应制备。以下是常见的制备方法：

1. 反应原理

\(\text{4HCl}(浓) + \text{MnO}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{MnCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Cl}_2↑\)

2. 实验装置

为了制备干燥、纯净的氯气，需要考虑气体的净化、收集和尾气处理等问题。常用的实验装置包括：

- 发生装置：使用圆底烧瓶作为反应容器，加入二氧化锰和浓盐酸，加热以促进反应。

- 净化装置：通过饱和食盐水除去氯气中的少量HCl气体，再通过浓硫酸干燥氯气。

- 收集装置：采用向上排空气法收集氯气，因为氯气密度较大，易于沉降。

- 尾气处理装置：用氢氧化钠溶液吸收多余的氯气，防止污染环境。

三、氯、溴、碘的比较

卤素单质（Cl、Br、I）具有相似的原子结构，最外层电子数均为7个，易得一个电子形成八电子稳定结构。然而，它们在物理性质和化学性质上存在显著差异，具体如下：

1. 物理性质

| 卤素单质 | 分子式 | 常温下颜色、状态 | 溶解性能 | 熔沸点 |

| --- | --- | --- | --- | --- |

| 氯 | Cl | 黄绿色气体，易液化 | 易溶于水（1:2.5），微溶于有机溶剂 | 较低 |

| 溴 | Br | 深棕红色液体，易挥发 | 微溶于水，易溶于有机溶剂 | 中等 |

| 碘 | I | 紫黑色固体，能升华 | 微溶于水，易溶于有机溶剂 | 较高 |

2. 化学性质

卤素单质的化学性质表现出明显的递变性，随着原子序数的增加，卤素的非金属性逐渐减弱，单质的氧化性也随之减弱，而卤离子的还原性逐渐增强。以下是卤素单质的一些典型化学性质：

- 与氢气反应：

氯气与氢气在光照条件下剧烈反应并可能发生爆炸；溴与氢气在高温条件下缓慢化合；碘与氢气反应则更加困难。

- 与水反应：

氯气与水反应生成盐酸和次氯酸；溴与水反应生成盐酸和次溴酸；碘与水几乎不反应。

- 与碱反应：

氯、溴、碘单质都能与强碱溶液反应，生成相应的卤化物和次卤酸盐。例如，氯气与氢氧化钠反应生成氯化钠、次氯酸钠和水。

- 置换反应：

前面的卤素单质可以将后面的卤素单质从其化合物中置换出来。例如，氯气可以将溴从溴化钾中置换出来，生成氯化钾和溴单质。

3. 卤族元素在化学性质上的递变性

卤族元素的化学性质随原子序数的增加呈现出以下递变规律：

- 非金属性与单质氧化性逐渐减弱：氯的非金属性最强，碘的最弱。

- 卤离子还原性逐渐增强：氯离子的还原性最弱，碘离子的最强。

- 与氢气反应由易到难：氯气与氢气反应最容易，碘与氢气反应最难。

- 氢化物稳定性逐渐减弱，还原性与酸性逐渐增强：氯化氢最稳定，碘化氢最不稳定，酸性也依次增强。

- 最高价氧化物的水化物酸性逐渐减弱：氯的最高价氧化物水化物（高氯酸）是最强的酸，碘的最高价氧化物水化物（高碘酸）是最弱的酸。

- 前面元素的单质能把后面元素单质置换出来：氯气可以置换出溴和碘，溴可以置换出碘。

卤族元素的化学性质呈现出明显的递变规律，这些规律有助于我们更好地理解和预测它们的化学行为。掌握这些知识对于深入学习化学和解决实际问题具有重要意义。

高中阶段是人生中的关键时期，大家一定要珍惜这段宝贵的学习时光，努力打好化学基础。通过对卤素资源的深入理解，不仅可以提高我们的化学素养，还能为未来的科学研究和工业应用打下坚实的基础。希望同学们能够认真对待每一堂课，积极参与实验，培养严谨的科学态度和创新精神。