高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第2章 元素与物质世界第3节 氧化还原反应学案设计

科学使用含氯消毒剂——运用氧化还原反应原理解决实际问题

学习任务一  解读84消毒液的产品说明

　84消毒液的产品说明书：

产品特点

本品是以次氯酸钠为主要成分的液体消毒剂。有效氯含量为5.1%～6.9%，可杀灭肠道致病菌、化脓性球菌、致病性酵母菌，并能灭活病毒。

学习活动： 探究84消毒液的主要成分NaClO的化学性质

1．预测性质：

从类别上看，NaClO是一种弱酸盐，类比于Na2CO3，其溶液应呈碱性，而且可以与其他酸反应生成次氯酸；从价态上看NaClO中的氯为“＋1”价，降低变为“0”价或“－1”价而表现氧化性；从84消毒液的使用说明看，NaClO还有一定的漂白性。

2．实验探究：

1．次氯酸钠：

2．常见含氯消毒剂：

3．次氯酸作为消毒剂、漂白剂的优缺点：

(1)优点：次氯酸有较好的消毒、漂白作用。

(2)缺点：HClO在光照条件下易分解，2HClO2HCl＋O2↑，不宜直接用作消毒剂、漂白剂。

【典例】生活中的很多物质不能混合使用，请利用所学知识回答下列问题：

(1)已知84消毒液主要成分为次氯酸钠和氯化钠，“洁厕灵”可以洗去马桶中难以除去的“尿垢”，请回答：

①84消毒液显__________性，“洁厕灵”显__________(填“酸”“碱”或“中”)性。

②84消毒液能否和“洁厕灵”混合使用，请你结合离子方程式加以说明：________________________________________________________________。

(2)84消毒液及双氧水都是常见的消毒剂，若长期放置在空气中，都容易变质，用化学方程式表示它们变质的原因________________、________________、________________。

【解析】84消毒液的有效成分为次氯酸钠，呈碱性，“洁厕灵”的主要成分为HCl，呈酸性，二者混合时能发生氧化还原反应产生氯气，故不能混合使用。次氯酸钠露置于空气中还能吸收空气中的二氧化碳生成不稳定的次氯酸而失效；双氧水不稳定，见光受热都容易分解而失效。

答案：(1)①碱　酸　②不能，84消毒液中的NaClO可以和“洁厕灵”中的酸性物质发生如下反应：ClO－＋Cl－＋2H＋===Cl2↑＋H2O，去污效果降低，且Cl2有毒，吸入易使人中毒，故不能混合使用　(2)2NaClO＋CO2＋H2O===Na2CO3＋2HClO　2HClO2HCl＋O2↑　2H2O2===2H2O＋O2↑

　(1)稀释或使用消毒液时，为什么要求相关人员必须戴手套？(关键能力——分析与推测)

提示：因为84消毒液具有碱性、强氧化性，所以会腐蚀人的皮肤。

(2)次氯酸钠溶液本身有氧化性，可以消毒和漂白物品，为什么84消毒液使用时需要将被消毒的物品浸泡一段时间来增强消毒或漂白效果？(关键能力——理解与辨析)

提示：NaClO与空气中的CO2、H2O作用生成HClO，HClO的消毒、漂白效果更好。2NaClO＋CO2＋H2O===2HClO＋Na2CO3。

(3)有些消毒液特别补充说明：不可与酸性清洁剂如“洁厕剂”混合使用，为什么？(关键能力——理解与辨析)

提示：洁厕剂主要成分为稀盐酸，可与消毒液反应产生Cl2，NaClO＋2HCl===NaCl＋H2O＋Cl2↑，Cl2有毒会污染环境。

学习任务二  探究消毒液的使用问题

　　　2016年巴西里约热内卢奥运会期间，室外游泳池中的水变绿成为当时的一大新闻。有关负责人说，池水变绿是藻类生长造成的。该泳池此前一直使用含氯消毒剂抑制藻类生长，这次事件中工作人员误用了过氧化氢消毒剂。

针对上述事件，我们可以提出很多问题。例如：为什么泳池中原有的含氯消毒剂不起作用了？

学习活动：设计实验探究消毒剂在使用时应注意的问题

1．实验用品：

次氯酸钠溶液，双氧水，稀硝酸，硝酸银溶液，火柴，试管，导管，胶头滴管。

2.实验步骤：

(1)向图示装置中依次加入次氯酸钠溶液、少量双氧水。

现象与结论：观察到有较多气泡冒出。

(2)探究生成的气体是否为氧气。用带火星的火柴棒靠近导气管口，观察实验现象。

现象与结论：木条复燃，证明有氧气生成。

(3)向试管中继续加入双氧水至过量，再加入足量稀硝酸酸化，最后加入硝酸银溶液，检验Cl－的存在。

1．实验过程中为什么要控制双氧水的用量？

提示：过量双氧水久置也能缓慢分解生成氧气。

2．为什么向试管继续加入过量双氧水？

提示：加入过量双氧水，目的是将次氯酸钠全部还原，防止加入硝酸后生成HClO，次氯酸分解生成HCl(Cl－)会干扰实验。

1．分析解释实际问题——“池水变绿”的原因：

2．消毒剂的使用误区：

(1)“混用更保险”：使用消毒剂一定要科学，使用前一定要认真了解各种消毒剂的成分及性质，有针对性地选择和使用，切不可混用，混用后有可能产生有毒物质或降低效果。

(2)“越浓越保险”：消毒剂浓度并不是越浓效果越好，例如75%的酒精可以吸收细菌蛋白中的水分，使蛋白质脱水变性，而纯酒精或95%的酒精会使菌体表面形成保护膜，阻止乙醇分子进一步渗入，影响杀菌效果，使其效果降低。

(3)同一时期使用消毒剂“多样化更高效”：如果同一时期频繁使用多种消毒剂，有可能使消毒剂消毒效果大大降低，还可能产生意想不到的严重后果，如先用84消毒液消毒，再用洁厕灵消毒，就有可能产生严重污染空气的氯气。

【典例】(2021·石城高一检测)游泳池中的水经常要消毒杀菌。某化学兴趣小组对游泳池中使用的消毒剂进行了研究性学习。

(1)氯气是游泳池中水体消毒杀菌的常用消毒剂之一，请用离子方程式表示它能消毒杀菌的原因是_____________________________________________。

(2)游泳池也可使用漂白液(主要成分是次氯酸钠)来进行消毒杀菌。与氯气相比较，请写出使用漂白液的一个优点：____________________。

(3)消毒剂二氧化氯已被世界卫生组织(WHO)列为A1级高效安全灭菌消毒剂。若消毒同一游泳池中的水，达到同样的消毒效果，所需二氧化氯与氯气的物质的量之比为__________(单位物质的量的物质得到的电子数可以表示该物质的消毒效率)。

(4)用于游泳池消毒杀菌的消毒剂还有很多。下列物质中，也可以用于游泳池杀菌消毒的有__________(填字母)。

A．二氧化硫　B．臭氧　C．活性炭　D．高锰酸钾

【解析】(1)氯气用于漂白、消毒是因为其能与水反应生成具有强氧化性的次氯酸：Cl2＋H2O===H＋＋Cl－＋HClO。(2)次氯酸钠比次氯酸更稳定，便于使用、储存和运输等。(3)一个二氧化氯分子转变成氯离子需要得到5个电子，一个氯气分子转变成氯离子需要得到2个电子，若消毒同一游泳池中的水，达到同样的消毒效果，所需二氧化氯与氯气的物质的量之比为2∶5。(4)二氧化硫、高锰酸钾对人的皮肤有伤害，活性炭有吸附作用，但无杀菌消毒功能。

答案：(1)Cl2＋H2O===H＋＋Cl－＋HClO　(2)次氯酸钠更稳定，便于使用、储存和运输等　(3)2∶5　(4)B

(1)近年，世界各地自然灾害频发，灾区人们的饮用水，必须用漂白粉等药品消毒后才能饮用，以防传染病的发生，但瓶装漂白粉久置空气中会呈稀糊粥状而失效，为什么？(关键能力——理解与辨析)

提示：由于酸性H2CO3＞HClO，所以Ca(ClO)2在空气中易跟CO2、H2O反应生成CaCO3和HClO，HClO见光易分解。

Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

2HClO2HCl＋O2↑

(2)用贮存很久的漂白粉与浓盐酸制得的氯气中，可能含有哪些杂质气体？(关键能力——分析与推测)

提示：用含CaCO3的Ca(ClO)2跟浓盐酸制取Cl2，Cl2中可能含有CO2、H2O、HCl等杂质。

1．某化学兴趣小组在探究次氯酸钠溶液的性质时发现：往过量FeSO4溶液中滴入几滴NaClO溶液，并加入适量硫酸，溶液立即变黄。请你协助他们完成该反应还原产物的探究。

(1)甲同学推测该反应的还原产物为Cl2；乙同学推测该反应的还原产物为__________。

(2)你认为甲同学的推测是否正确？__________(填“正确”或“不正确”)。请用简要的文字或离子方程式说明理由_______________________________________。

根据乙同学的推测，上述反应的离子方程式为________________。

(3)请你设计一个实验方案，验证乙同学的推测(还原产物)是否正确。要求写出实验步骤、预期现象和结论：

【解析】(1)往过量FeSO4溶液中滴入几滴NaClO溶液，并加入适量硫酸，亚铁离子具有还原性，次氯酸钠具有氧化性，氯元素的化合价有降低的趋势，降为0价产生氯气或者是降为－1价产生氯离子。

(2)该反应的还原产物不可能为Cl2，因为FeSO4过量，在反应中有剩余，而Cl2与Fe2＋不能共存(2Fe2＋＋Cl2===2Cl－＋2Fe3＋)，因此还原产物不可能为Cl2，亚铁离子和次氯酸根在酸性环境下的反应：2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O。(3)如果检验Cl－需用HNO3、AgNO3试剂检验，但溶液中存在SO遇Ag＋也会沉淀，故检验Cl－时应先除去SO。

答案：(1)Cl－　(2)不正确　因为FeSO4过量，反应中有剩余，而Cl2与Fe2＋不能共存(2Fe2＋＋Cl2===2Cl－＋2Fe3＋)，因此还原产物不可能为Cl2　2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O

(3)取上述反应后的溶液少许于试管A中，滴加过量Ba(NO3)2溶液，静置　有白色沉淀生成　取试管A中的上层清液于试管B中，滴几滴稀硝酸和几滴AgNO3溶液　若有白色沉淀生成，则乙同学的推测正确；若没有白色沉淀生成，则乙同学的推测不正确

2．用氯气对饮用水消毒，会使水中的有机物发生氯化，生成含氯化合物，而含氯化合物对人体有害，世界环保联盟即将全面禁止这种消毒方法。建议采用具有强氧化性的高效消毒剂二氧化氯(ClO2)。二氧化氯极易爆炸，生产和使用时尽量用惰性气体稀释，避免光照、震动或加热。

(1)欧洲一些国家用氯酸钠(NaClO3)氧化浓盐酸来制取二氧化氯，同时有氯气生成，且氯气的体积为二氧化氯的一半，这一反应的化学方程式是__________。

(2)浓盐酸在上述反应中显示出来的性质是__________(填字母)。

A．只有还原性　　　　 B．还原性和酸性

C．只有氧化性       D．氧化性和酸性

(3)我国广泛采用经干燥空气稀释的氯气通入填有固体亚氯酸钠(NaClO2)的柱内制得二氧化氯，表示这一反应的化学方程式是____________________________。

【解析】(1)根据原子守恒可知，一定还有水和氯化钠生成，反应的化学方程式是2NaClO3＋4HCl(浓)===2ClO2↑＋Cl2↑＋2NaCl＋2H2O。

(2)根据方程式可知，盐酸中氯元素的化合价从－1价升高到0价，失去电子，作还原剂。同时还有氯化钠生成，所以盐酸还起酸性的作用。

(3)由原子守恒可知，另外一种生成物是氯化钠，反应的化学方程式是2NaClO2＋Cl2===2NaCl＋2ClO2。

答案：(1)2NaClO3＋4HCl(浓)===2ClO2↑＋Cl2↑＋2NaCl＋2H2O　(2)B　(3)2NaClO2＋Cl2===2NaCl＋2ClO2

3．某实验小组用如图装置制备家用消毒液，并探究其性质。反应停止后，取洗气瓶中无色溶液5 mL分别进行了如下实验：

(1)写出利用上述装置制备消毒液涉及反应的化学方程式：_________________、

____________。

(2)查阅资料：酚酞的变色范围为8.2～10，且酚酞在强碱性溶液中红色会褪去，为探究操作a中溶液褪色的原因，又补充了如下实验：

获得结论：此实验小组制备的消毒液具有__________性。

(3)该小组由操作b获得结论：随着溶液酸性的增强，此消毒液的稳定性下降。

①操作b中溶液变成黄绿色的原因：______________(用离子方程式表示)。

②有人认为由操作b获得上述结论并不严谨。需要进一步确认此结论的实验方案是______________。

【解析】(2)酚酞在强碱性溶液中红色会褪去，同样体积和pH的氢氧化钠溶液，滴加2滴酚酞，溶液变红，30 min后褪色，而消毒液，pH＝13，滴加2滴酚酞，溶液变红，5 min后褪色，短时间即可褪色，说明此实验小组制备的消毒液具有漂白性。(3)②该小组操作b中使用的盐酸中有H＋和Cl－，向NaClO和NaCl的混合溶液中加入盐酸，酸性增强同时Cl－浓度也增大，因此无法判断到底是酸性增强导致NaClO稳定性下降还是Cl－浓度增大导致的，故加的酸应排除氯离子干扰，因此需向溶液中加入H2SO4，若溶液变为黄绿色，则说明消毒液稳定性下降，H＋和溶液中的Cl－、ClO－发生反应生成氯气。离子方程式为2H＋＋ClO－＋Cl－===Cl2↑＋H2O。

答案：(1)MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O

(2)5 mL、pH＝13　漂白

(3)①ClO－＋Cl－＋2H＋===Cl2↑＋H2O

②取洗气瓶中溶液5 mL，向其中逐滴加入稀H2SO4，观察溶液是否逐渐变为黄绿色